קוואנישי, יפן, 15 בנובמבר 2022 /PRNewswire/ - סוגיות סביבתיות כמו שינויי אקלים, דלדול משאבי טבע, הכחדת מינים, זיהום פלסטיק וכריתת יערות מחמירות ברחבי העולם עקב התפוצצות אוכלוסין.
פחמן דו-חמצני (CO2) הוא גז חממה ואחד הגורמים העיקריים לשינויי האקלים. בהקשר זה, תהליך המכונה "פוטוסינתזה מלאכותית (CO2 photoreduction)" יכול לייצר חומר גלם אורגני לדלקים וכימיקלים מ-CO2, מים ואנרגיה סולארית, בדיוק כפי שעושים צמחים. במקביל, הם גם מפחיתים את פליטות ה-CO2, מכיוון ש-CO2 משמש כחומר גלם לייצור אנרגיה ומשאבים כימיים. לכן, פוטוסינתזה מלאכותית נחשבת לאחת הטכנולוגיות הירוקות החדישות ביותר.
MOFs (Metal Organic Frameworks) הם חומרים אולטרה-נקבוביים המורכבים מאשכולות של מתכות אנאורגניות וקשרים אורגניים. ניתן לשלוט בהם ברמה המולקולרית בטווח הננומטרי ובעלי שטח פנים גדול. בשל תכונות אלו, ניתן ליישם MOFs באחסון גז, הפרדה, ספיחת מתכות, קטליזה, אספקת תרופות, טיפול במים, חיישנים, אלקטרודות, מסננים וכו'. לאחרונה, נמצא כי ל-MOFs יכולת לכידת CO2 שניתן לצמצם אותו באמצעות פוטו-טוסינתזה, כלומר פוטוסינתזה מלאכותית.
נקודות קוונטיות, לעומת זאת, הן חומרים דקים במיוחד (0.5-9 ננומטר) שתכונותיהם האופטיות תואמות את כללי הכימיה הקוונטית ומכניקת הקוונטים. הן נקראות "אטומים מלאכותיים או מולקולות מלאכותיות" מכיוון שכל נקודה קוונטית מורכבת מכמה אלפים או כמה אלפי אטומים או מולקולות. בטווח גודל זה, רמות האנרגיה של האלקטרונים אינן רציפות עוד והן מופרדות עקב תופעה פיזיקלית המכונה אפקט הכליאה הקוונטית. במקרה זה, אורך הגל של האור הנפלט יהיה תלוי בגודל הנקודות הקוונטיות. נקודות קוונטיות אלו ניתנות ליישום גם בפוטוסינתזה מלאכותית בשל יכולת ספיגת האור הגבוהה שלהן, יכולתן לייצר אקסיטון מרובים ושטח פנים גדול.
גם MOFs וגם נקודות קוונטיות סונתזו במסגרת ארגון Green Science Alliance. בעבר, הם השתמשו בהצלחה בחומרים מרוכבים של נקודות קוונטיות של MOF כדי לייצר חומצה פורמית כזרז מיוחד לפוטוסינתזה מלאכותית. עם זאת, זרזים אלה הם בצורת אבקה ואבקות זרז אלה חייבות להיות מאוספות באמצעות סינון בכל תהליך. לכן, מכיוון שתהליכים אלה אינם רציפים, קשה ליישם אותם לשימוש תעשייתי מעשי.
בתגובה, מר טטסורו קאג'ינו, מר הירוהיסה איוואביאשי וד"ר ריוהיי מורי מחברת Green Science Alliance Co., Ltd. השתמשו בטכנולוגיה שלהם כדי לקבוע את הזרזים המלאכותיים המיוחדים הללו לפוטוסינתזה על גבי יריעות טקסטיל זולות ופיתחו תהליך חדש לייצור חומצה פורמית, שיכול לפעול ברציפות ביישומים תעשייתיים מעשיים. לאחר השלמת תגובת הפוטוסינתזה המלאכותית, ניתן להוציא את המים המכילים חומצה פורמית לצורך מיצוי, ולהוסיף מים טריים חדשים למיכל כדי לחדש את הפוטוסינתזה המלאכותית ברציפות.
חומצה פורמית יכולה להחליף דלק מימן. אחת הסיבות העיקריות למניעת התפשטות חברת מימן ברחבי העולם היא שמימן הוא האטום הקטן ביותר ביקום, ולכן קשה לאחסן אותו, וייצור מיכל מימן בעל אפקט איטום גבוה יהיה יקר מאוד. בנוסף, גז מימן יכול להיות נפיץ ולהוות סכנה בטיחותית. מכיוון שחומצה פורמית היא נוזל, קל יותר לאחסן אותה כדלק. במידת הצורך, ניתן להשתמש בחומצה פורמית כדי לזרז את ייצור המימן באתר. בנוסף, ניתן להשתמש בחומצה פורמית כחומר גלם לכימיקלים שונים.
למרות שהיעילות של פוטוסינתזה מלאכותית עדיין נמוכה, ברית המדע הירוק תמשיך להילחם לשיפורי יעילות כדי לבסס יישומים מעשיים לפוטוסינתזה מלאכותית.