KAWANISH, Japonya, 15 Kasım 2022 /PRNewswire/ — Dünya nüfusundaki artışın yol açtığı iklim değişikliği, kaynak tükenmesi, türlerin yok olması, plastik kirliliği ve ormansızlaşma gibi çevresel sorunlar giderek daha acil hale geliyor.
Karbondioksit (CO2) bir sera gazıdır ve iklim değişikliğinin başlıca nedenlerinden biridir. Bu bağlamda, “yapay fotosentez (karbondioksitin fotoredüksiyonu)” adı verilen bir süreç, bitkilerin yaptığı gibi karbondioksit, su ve güneş enerjisinden yakıt ve kimyasallar için organik hammaddeler üretebilir. Aynı zamanda, enerji ve kimyasal üretim için hammadde olarak kullanılan CO2 emisyonlarını azaltır. Bu nedenle, yapay fotosentez en gelişmiş yeşil teknolojilerden biri olarak bilinmektedir.
MOF'lar (metal-organik çerçeveler), inorganik metaller ve organik bağlayıcıların kümelerinden oluşan süper gözenekli malzemelerdir. Geniş yüzey alanlarıyla nano ölçekte moleküler düzeyde kontrol edilebilirler. Bu özelliklerinden dolayı MOF'lar gaz depolama, ayırma, metal adsorpsiyonu, kataliz, ilaç dağıtımı, su arıtma, sensörler, elektrotlar, filtreler vb. alanlarda kullanılabilir. Son zamanlarda MOF'ların CO2 yakalama yeteneğine sahip olduğu keşfedilmiştir; bu da CO2 fotoredüksiyonu, yani yapay fotosentez yoluyla organik maddeler üretmek için kullanılabilir.
Kuantum noktaları ise, kuantum kimyası ve kuantum mekaniği kurallarına uyan optik özelliklere sahip ultra küçük malzemelerdir (0,5–9 nanometre). Her bir kuantum noktası yalnızca birkaç ila binlerce atom veya molekülden oluştuğu için "yapay atomlar veya yapay moleküller" olarak adlandırılırlar. Bu boyut aralığında, elektronların enerji seviyeleri artık sürekli değildir ve kuantum sınırlama etkisi olarak bilinen fiziksel bir olgu nedeniyle ayrılırlar. Bu durumda, yayılan ışığın dalga boyu kuantum noktasının boyutuna bağlı olacaktır. Bu kuantum noktaları, yüksek ışık emme kapasiteleri, çoklu eksiton üretme yetenekleri ve geniş yüzey alanları nedeniyle yapay fotosentezde de kullanılabilirler.
Hem MOF'lar hem de kuantum noktaları Yeşil Bilim İttifakı tarafından sentezlendi. Daha önce, yapay fotosentez için özel bir katalizör olan formik asit üretmek amacıyla MOF-kuantum nokta kompozitlerini başarıyla kullandılar. Bununla birlikte, bu katalizörler toz halindedir ve bu katalizör tozlarının her işlemde filtrasyon yoluyla toplanması gerekir. Bu nedenle, bu işlemler sürekli olmadığından, gerçek endüstriyel kullanıma uygulanması zordur.
Bunun üzerine, Green Science Alliance Co., Ltd.'den Bay Kajino Tetsuro, Bay Iwabayashi Hirohisa ve Dr. Mori Ryohei, bu özel yapay fotosentez katalizörlerini ucuz bir tekstil kumaşı üzerine sabitlemek için teknolojilerini kullandılar ve yeni bir formik asit tesisi açtılar. Bu işlem, pratik endüstriyel uygulamalar için sürekli olarak çalıştırılabilir. Yapay fotosentez reaksiyonu tamamlandıktan sonra, formik asit içeren su dışarı alınabilir ve ardından kaba yeni taze su eklenerek yapay fotosentez devam ettirilebilir.
Formik asit, hidrojen yakıtının yerini alabilir. Dünya çapında hidrojen bazlı bir toplumun benimsenmesini engelleyen başlıca nedenlerden biri, evrendeki en küçük atom olan hidrojenin depolanmasının zor olması ve iyi yalıtılmış bir hidrojen rezervuarı inşa etmenin çok pahalı olmasıdır. Ayrıca, hidrojen gazı patlayıcı olabilir ve güvenlik tehlikesi oluşturabilir. Formik asitler sıvı halde oldukları için yakıt olarak depolanmaları çok daha kolaydır. Gerekirse, formik asit, yerinde hidrojen üretmek için reaksiyonu katalize edebilir. Ek olarak, formik asit çeşitli kimyasallar için hammadde olarak kullanılabilir.
Yapay fotosentezin verimliliği şu anda hâlâ çok düşük olsa bile, Yeşil Bilim İttifakı verimliliği artırmak ve gerçekten uygulamalı yapay fotosentezi hayata geçirmek için mücadeleye devam edecektir.