کاوانیش، ژاپن، ۱۵ نوامبر ۲۰۲۲ /PRNewswire/ — مسائل زیست‌محیطی مانند تغییرات اقلیمی، کاهش منابع، انقراض گونه‌ها، آلودگی پلاستیکی و جنگل‌زدایی ناشی از افزایش جمعیت جهان، روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.
دی اکسید کربن (CO2) یک گاز گلخانه‌ای و یکی از علل اصلی تغییرات اقلیمی است. در این راستا، فرآیندی به نام «فتوسنتز مصنوعی (کاهش نوری دی اکسید کربن)» می‌تواند مواد اولیه آلی برای سوخت و مواد شیمیایی را از دی اکسید کربن، آب و انرژی خورشیدی، مانند گیاهان، تولید کند. در عین حال، آنها انتشار CO2 را که به عنوان ماده اولیه برای تولید انرژی و مواد شیمیایی استفاده می‌شود، کاهش می‌دهند. بنابراین، فتوسنتز مصنوعی به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های سبز شناخته می‌شود.
MOFها (چارچوب‌های فلزی-آلی) موادی فوق متخلخل هستند که از خوشه‌هایی از فلزات معدنی و پیونددهنده‌های آلی تشکیل شده‌اند. آن‌ها را می‌توان در سطح مولکولی در محدوده نانو با مساحت سطح بزرگ کنترل کرد. به دلیل این خواص، MOFها را می‌توان در ذخیره‌سازی گاز، جداسازی، جذب فلز، کاتالیز، دارورسانی، تصفیه آب، حسگرها، الکترودها، فیلترها و غیره به کار برد. اخیراً مشخص شده است که MOFها توانایی جذب CO2 را دارند که می‌توان از آن برای تولید مواد آلی از طریق کاهش نوری CO2، که به عنوان فتوسنتز مصنوعی نیز شناخته می‌شود، استفاده کرد.
از سوی دیگر، نقاط کوانتومی موادی فوق‌العاده ریز (0.5 تا 9 نانومتر) با خواص نوری هستند که از قوانین شیمی کوانتومی و مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند. به آنها «اتم‌های مصنوعی یا مولکول‌های مصنوعی» گفته می‌شود زیرا هر نقطه کوانتومی تنها از چند تا هزاران اتم یا مولکول تشکیل شده است. در این محدوده اندازه، سطوح انرژی الکترون‌ها دیگر پیوسته نیستند و به دلیل پدیده‌ای فیزیکی به نام اثر محدودیت کوانتومی از هم جدا می‌شوند. در این حالت، طول موج نور ساطع شده به اندازه نقطه کوانتومی بستگی دارد. این نقاط کوانتومی به دلیل ظرفیت جذب نور بالا، توانایی تولید چندین اکسیتون و مساحت سطح بزرگ، می‌توانند در فتوسنتز مصنوعی نیز به کار روند.
هم MOFها و هم نقاط کوانتومی توسط اتحاد علوم سبز سنتز شده‌اند. پیش از این، آنها با موفقیت از کامپوزیت‌های MOF-نقاط کوانتومی برای تولید اسید فرمیک به عنوان یک کاتالیزور ویژه برای فتوسنتز مصنوعی استفاده کرده‌اند. با این حال، این کاتالیزورها به صورت پودر هستند و این پودرهای کاتالیزور باید در هر فرآیند با فیلتراسیون جمع‌آوری شوند. بنابراین، استفاده از آن در کاربردهای صنعتی واقعی دشوار است زیرا این فرآیندها پیوسته نیستند.
در پاسخ، آقای کاجینو تتسورو، آقای ایوابایاشی هیروهیسا و دکتر موری ریوهی از شرکت گرین ساینس الاینس با استفاده از فناوری خود، این کاتالیزورهای فتوسنتز مصنوعی ویژه را روی یک پارچه نساجی ارزان‌قیمت تثبیت کردند و یک کارخانه جدید تولید اسید فرمیک افتتاح کردند. این فرآیند می‌تواند به طور مداوم برای کاربردهای صنعتی عملی اجرا شود. پس از اتمام واکنش فتوسنتز مصنوعی، می‌توان آب حاوی اسید فرمیک را بیرون آورد و استخراج کرد و سپس آب شیرین جدید را به ظرف اضافه کرد تا فتوسنتز مصنوعی از سر گرفته شود.
اسید فرمیک می‌تواند جایگزین سوخت هیدروژنی شود. یکی از دلایل اصلی که مانع از پذیرش جهانی یک جامعه مبتنی بر هیدروژن می‌شود این است که هیدروژن، کوچکترین اتم در جهان، به سختی ذخیره می‌شود و ساخت یک مخزن کاملاً مهر و موم شده هیدروژن بسیار گران خواهد بود. علاوه بر این، گاز هیدروژن می‌تواند انفجاری باشد و خطرات ایمنی ایجاد کند. ذخیره اسیدهای فرمیک به عنوان سوخت بسیار آسان‌تر است زیرا آنها مایع هستند. در صورت لزوم، اسید فرمیک می‌تواند واکنش تولید هیدروژن در محل را کاتالیز کند. علاوه بر این، اسید فرمیک می‌تواند به عنوان ماده اولیه برای مواد شیمیایی مختلف استفاده شود.
حتی اگر راندمان فتوسنتز مصنوعی در حال حاضر بسیار پایین باشد، اتحاد علوم سبز به مبارزه برای افزایش راندمان و معرفی فتوسنتز مصنوعی واقعاً کاربردی ادامه خواهد داد.