Kawanishi, Japonya, 15 Kasım 2022 /PRNewswire/ — İklim değişikliği, doğal kaynakların tükenmesi, türlerin yok olması, plastik kirliliği ve ormansızlaşma gibi çevresel sorunlar, nüfus patlaması nedeniyle dünya genelinde giderek kötüleşiyor.
Karbondioksit (CO2) bir sera gazıdır ve iklim değişikliğinin başlıca nedenlerinden biridir. Bu bağlamda, "yapay fotosentez (CO2 fotoredüksiyonu)" olarak bilinen bir süreç, tıpkı bitkilerin yaptığı gibi, CO2, su ve güneş enerjisinden yakıt ve kimyasallar için organik hammadde üretebilir. Aynı zamanda, CO2 enerji ve kimyasal kaynakların üretiminde hammadde olarak kullanıldığı için CO2 emisyonlarını da azaltır. Bu nedenle, yapay fotosentez en yeni yeşil teknolojilerden biri olarak kabul edilmektedir.
MOF'lar (Metal Organik Çerçeveler), inorganik metaller ve organik bağlayıcıların kümelerinden oluşan ultra gözenekli malzemelerdir. Nanometre aralığında moleküler düzeyde kontrol edilebilirler ve geniş bir yüzey alanına sahiptirler. 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 ve CO2'yi fotoredükleyerek yapay fotosentez yapabildiği keşfedilmiştir.
Kuantum noktaları ise, optik özellikleri kuantum kimyası ve kuantum mekaniği kurallarına uyan ultra ince malzemelerdir (0,5–9 nm). Her bir kuantum noktası yalnızca birkaç veya birkaç bin 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 noktalarının 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 kapsamında sentezlendi. Daha önce, yapay fotosentez için özel bir katalizör olan formik asit üretmek amacıyla MOF kuantum nokta kompozit malzemeleri başarıyla kullanıldı. Bununla birlikte, bu katalizörler toz halindedir ve her işlemde bu katalizör tozlarının filtrasyon yoluyla toplanması gerekmektedir. Bu nedenle, bu işlemler sürekli olmadığından, pratik endüstriyel kullanım için uygulanmaları zordur.
Bunun üzerine, Green Science Alliance Co., Ltd.'den Bay Tetsuro Kajino, Bay Hirohisa Iwabayashi ve Dr. Ryohei Mori, bu özel yapay fotosentez katalizörlerini ucuz tekstil levhalar üzerine sabitlemek için teknolojilerini kullandılar ve pratik endüstriyel uygulamalarda sürekli olarak çalışabilen yeni bir formik asit üretim süreci geliştirdiler. Yapay fotosentez reaksiyonu tamamlandıktan sonra, formik asit içeren su ekstraksiyon için dışarı alınabilir ve kaba sürekli olarak yapay fotosenteze devam etmek için yeni taze su eklenebilir.
Formik asit, hidrojen yakıtının yerini alabilir. Dünyada hidrojen toplumunun yayılmasını engelleyen başlıca nedenlerden biri, hidrojenin evrendeki en küçük atom olması, bu nedenle depolanmasının zor olması ve yüksek sızdırmazlık etkisine sahip bir hidrojen tankının üretiminin çok pahalı olmasıdır. Ayrıca, hidrojen gazı patlayıcı olabilir ve güvenlik tehlikesi oluşturabilir. Formik asit sıvı halde olduğu için yakıt olarak depolanması daha kolaydır. Gerekirse, formik asit yerinde hidrojen üretimini katalize etmek için kullanılabilir. Ek olarak, formik asit çeşitli kimyasallar için hammadde olarak kullanılabilir.
Yapay fotosentezin verimliliği henüz düşük olsa da, Yeşil Bilim İttifakı, yapay fotosentezin pratik uygulamalarını oluşturmak için verimlilik iyileştirmeleri için mücadele etmeye devam edecektir.