کاوانیشی، ژاپن، ۱۵ نوامبر ۲۰۲۲ /PRNewswire/ — مسائل زیست‌محیطی مانند تغییرات اقلیمی، کاهش منابع طبیعی، انقراض گونه‌ها، آلودگی پلاستیکی و جنگل‌زدایی به دلیل انفجار جمعیت در سراسر جهان رو به وخامت است.
دی اکسید کربن (CO2) یک گاز گلخانه‌ای و یکی از علل اصلی تغییرات اقلیمی است. در این راستا، فرآیندی که به عنوان "فتوسنتز مصنوعی (کاهش نوری CO2)" شناخته می‌شود، می‌تواند مانند گیاهان، از CO2، آب و انرژی خورشیدی، مواد اولیه آلی برای سوخت‌ها و مواد شیمیایی تولید کند. در عین حال، آنها همچنین انتشار CO2 را کاهش می‌دهند، زیرا CO2 به عنوان ماده اولیه برای تولید منابع انرژی و شیمیایی استفاده می‌شود. بنابراین، فتوسنتز مصنوعی یکی از جدیدترین فناوری‌های سبز محسوب می‌شود.
MOFها (چارچوب‌های فلزی-آلی) مواد فوق متخلخلی هستند که از خوشه‌هایی از فلزات معدنی و پیونددهنده‌های آلی تشکیل شده‌اند. آن‌ها را می‌توان در سطح مولکولی در محدوده نانومتر کنترل کرد و مساحت سطح زیادی دارند. به دلیل این خواص، MOFها را می‌توان در ذخیره‌سازی گاز، جداسازی، جذب فلزات، 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 CO2 را با نور کاهش داد، یعنی فتوسنتز مصنوعی.
از سوی دیگر، نقاط کوانتومی موادی فوق نازک (0.5 تا 9 نانومتر) هستند که خواص نوری آنها با قوانین شیمی کوانتومی و مکانیک کوانتومی مطابقت دارد. به آنها "اتم‌های مصنوعی یا مولکول‌های مصنوعی" گفته می‌شود زیرا هر نقطه کوانتومی تنها از چند یا چند هزار 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 نقاط 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 تحت نظر اتحاد علوم سبز سنتز شده‌اند. پیش از این، آنها با موفقیت از مواد کامپوزیت نقاط کوانتومی MOF 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، از آنجایی که این فرآیندها پیوسته نیستند، استفاده از آنها برای کاربردهای صنعتی عملی دشوار است.
در پاسخ، آقای تتسورو کاجینو، آقای هیروهیسا ایوابایاشی و دکتر ریوهی موری از شرکت گرین ساینس الاینس با مسئولیت محدود، از فناوری خود برای تثبیت این کاتالیزورهای فتوسنتز مصنوعی ویژه روی ورق‌های نساجی ارزان‌قیمت استفاده کردند و فرآیند جدیدی را برای تولید اسید فرمیک توسعه دادند که می‌تواند به طور مداوم در کاربردهای صنعتی عملی عمل کند. پس از اتمام واکنش فتوسنتز مصنوعی، می‌توان آب حاوی اسید فرمیک را برای استخراج خارج کرد و آب تازه جدید را به ظرف اضافه کرد تا فتوسنتز مصنوعی به طور مداوم از سر گرفته شود.
اسید فرمیک می‌تواند جایگزین سوخت هیدروژنی شود. یکی از دلایل اصلی جلوگیری از گسترش جامعه هیدروژنی در سراسر جهان این است که هیدروژن کوچکترین اتم در جهان است، بنابراین ذخیره آن دشوار است و تولید مخزن هیدروژن با اثر آب‌بندی بالا بسیار گران خواهد بود. علاوه بر این، گاز هیدروژن می‌تواند انفجاری باشد و خطرات ایمنی ایجاد کند. از آنجایی که اسید فرمیک مایع است، ذخیره آن به عنوان سوخت آسان‌تر است. در صورت لزوم، اسید فرمیک می‌تواند برای کاتالیز تولید هیدروژن در محل استفاده شود. علاوه بر این، اسید فرمیک می‌تواند به عنوان ماده اولیه برای مواد شیمیایی مختلف استفاده شود.
اگرچه راندمان فتوسنتز مصنوعی هنوز پایین است، اتحاد علوم سبز به مبارزه برای بهبود راندمان و ایجاد کاربردهای عملی برای فتوسنتز مصنوعی ادامه خواهد داد.