KAWANISH, Japan, 15. November 2022 /PRNewswire/ — Umweltprobleme wie Klimawandel, Ressourcenknappheit, Artensterben, Plastikverschmutzung und Entwaldung, verursacht durch das weltweite Bevölkerungswachstum, werden immer dringlicher.
Kohlendioxid (CO₂) ist ein Treibhausgas und eine der Hauptursachen des Klimawandels. In diesem Zusammenhang kann die sogenannte künstliche Photosynthese (Photoreduktion von Kohlendioxid) – ähnlich wie Pflanzen – aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenenergie organische Rohstoffe für Kraftstoffe und Chemikalien herstellen. Gleichzeitig werden CO₂-Emissionen reduziert, die als Ausgangsmaterial für die Energie- und Chemieproduktion dienen. Daher gilt die künstliche Photosynthese als eine der fortschrittlichsten grünen Technologien.
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind superporöse Materialien, die aus Clustern anorganischer Metalle und organischen Linkern bestehen. Sie lassen sich auf molekularer Ebene im Nanobereich steuern und weisen eine große Oberfläche auf. Aufgrund dieser Eigenschaften finden MOFs Anwendung in der Gasspeicherung, -trennung, Metalladsorption, Katalyse, Wirkstofffreisetzung, Wasseraufbereitung, als Sensoren, Elektroden, Filter usw. Jüngste Erkenntnisse zeigen, dass MOFs CO₂ binden können, welches zur Herstellung organischer Substanzen durch CO₂-Photoreduktion, auch bekannt als künstliche Photosynthese, genutzt werden kann.
Quantenpunkte hingegen sind winzige Materialien (0,5–9 Nanometer) mit optischen Eigenschaften, die den Gesetzen der Quantenchemie und Quantenmechanik gehorchen. Sie werden als „künstliche Atome oder Moleküle“ bezeichnet, da jeder Quantenpunkt nur aus wenigen bis Tausenden von Atomen oder Molekülen besteht. In diesem Größenbereich sind die Energieniveaus der Elektronen nicht mehr kontinuierlich, sondern trennen sich aufgrund eines physikalischen Phänomens, das als Quanteneinschluss-Effekt bekannt ist. In diesem Fall hängt die Wellenlänge des emittierten Lichts von der Größe des Quantenpunkts ab. Aufgrund ihrer hohen Lichtabsorptionskapazität, ihrer Fähigkeit zur Erzeugung mehrerer Exzitonen und ihrer großen Oberfläche können diese Quantenpunkte auch in der künstlichen Photosynthese eingesetzt werden.
Sowohl MOFs als auch Quantenpunkte wurden von der Green Science Alliance synthetisiert. Zuvor wurden MOF-Quantenpunkt-Komposite erfolgreich zur Herstellung von Ameisensäure als Spezialkatalysator für die künstliche Photosynthese eingesetzt. Diese Katalysatoren liegen jedoch in Pulverform vor und müssen in jedem Prozessschritt durch Filtration gewonnen werden. Daher ist ihre Anwendung in der industriellen Praxis aufgrund der nicht-kontinuierlichen Prozesse schwierig.
Als Reaktion darauf nutzten Herr Kajino Tetsuro, Herr Iwabayashi Hirohisa und Dr. Mori Ryohei von der Green Science Alliance Co., Ltd. ihre Technologie, um diese speziellen Katalysatoren für die künstliche Photosynthese auf einem kostengünstigen Textilgewebe zu immobilisieren und eine neue Ameisensäureanlage zu eröffnen. Das Verfahren kann kontinuierlich für industrielle Anwendungen betrieben werden. Nach Abschluss der künstlichen Photosynthesereaktion kann das ameisensäurehaltige Wasser entnommen und extrahiert werden. Anschließend wird dem Behälter frisches Wasser zugegeben, um die künstliche Photosynthese fortzusetzen.
Ameisensäure kann Wasserstoff als Brennstoff ersetzen. Einer der Hauptgründe, warum die weltweite Einführung einer wasserstoffbasierten Gesellschaft noch schleppend verläuft, ist die schwierige Lagerung von Wasserstoff, dem kleinsten Atom im Universum. Der Bau eines luftdichten Wasserstoffspeichers wäre sehr kostspielig. Zudem ist Wasserstoffgas explosiv und stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Ameisensäure lässt sich aufgrund ihrer flüssigen Form deutlich einfacher als Brennstoff lagern. Bei Bedarf kann sie die Reaktion zur Wasserstofferzeugung vor Ort katalysieren. Darüber hinaus kann Ameisensäure als Rohstoff für verschiedene Chemikalien verwendet werden.
Auch wenn die Effizienz der künstlichen Photosynthese derzeit noch sehr gering ist, wird die Green Science Alliance weiterhin dafür kämpfen, die Effizienz zu steigern und die angewandte künstliche Photosynthese einzuführen.