Kawanishi, Japan, 15. November 2022 /PRNewswire/ — Umweltprobleme wie Klimawandel, Ressourcenknappheit, Artensterben, Plastikverschmutzung und Entwaldung verschärfen sich weltweit aufgrund des Bevölkerungswachstums.
Kohlendioxid (CO₂) ist ein Treibhausgas und eine der Hauptursachen des Klimawandels. In diesem Zusammenhang kann ein Verfahren namens „künstliche Photosynthese (CO₂-Photoreduktion)“ – ähnlich wie Pflanzen – aus CO₂, Wasser und Sonnenenergie organische Rohstoffe für Kraftstoffe und Chemikalien erzeugen. Gleichzeitig werden CO₂-Emissionen reduziert, da CO₂ als Ausgangsstoff für die Produktion von Energie und chemischen Ressourcen dient. Daher gilt die künstliche Photosynthese als eine der neuesten umweltfreundlichen Technologien.
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind hochporöse Materialien, die aus Clustern anorganischer Metalle und organischen Linkern bestehen. Sie lassen sich auf molekularer Ebene im Nanometerbereich 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. Jüngst wurde entdeckt, dass MOFs CO₂ binden können, indem sie es photochemisch reduzieren – eine Art künstliche Photosynthese.
Quantenpunkte hingegen sind ultradünne Materialien (0,5–9 nm), deren optische Eigenschaften den Gesetzen der Quantenchemie und Quantenmechanik folgen. Sie werden als „künstliche Atome oder Moleküle“ bezeichnet, da jeder Quantenpunkt nur aus wenigen oder wenigen Tausend 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 der Quantenpunkte ab. Aufgrund ihrer hohen Lichtabsorptionsfähigkeit, 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 im Rahmen der Green Science Alliance synthetisiert. Zuvor wurden MOF-Quantenpunkt-Kompositmaterialien 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. Da diese Prozesse nicht kontinuierlich ablaufen, ist ihre Anwendung in der industriellen Praxis schwierig.
Als Reaktion darauf nutzten Herr Tetsuro Kajino, Herr Hirohisa Iwabayashi und Dr. Ryohei Mori von Green Science Alliance Co., Ltd. ihre Technologie, um diese speziellen Katalysatoren für die künstliche Photosynthese auf kostengünstigen Textilfolien zu immobilisieren und entwickelten ein neues Verfahren zur Ameisensäureproduktion, das sich für den kontinuierlichen Einsatz in industriellen Anwendungen eignet. Nach Abschluss der künstlichen Photosynthesereaktion kann das ameisensäurehaltige Wasser zur Extraktion entnommen und durch frisches Wasser ersetzt werden, um die künstliche Photosynthese kontinuierlich fortzusetzen.
Ameisensäure kann Wasserstoff als Brennstoff ersetzen. Einer der Hauptgründe, warum sich eine Wasserstoffgesellschaft weltweit noch nicht flächendeckend durchgesetzt hat, ist die Tatsache, dass Wasserstoff das kleinste Atom im Universum ist. Daher ist er schwer zu speichern, und die Herstellung eines hochdichten Wasserstofftanks wäre sehr kostspielig. Zudem ist Wasserstoffgas explosiv und stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Da Ameisensäure flüssig ist, lässt sie sich leichter als Brennstoff lagern. Bei Bedarf kann Ameisensäure die Wasserstoffproduktion vor Ort katalysieren. Darüber hinaus kann Ameisensäure als Rohstoff für verschiedene Chemikalien verwendet werden.
Obwohl die Effizienz der künstlichen Photosynthese noch gering ist, wird die Green Science Alliance weiterhin für Effizienzverbesserungen kämpfen, um praktische Anwendungen für die künstliche Photosynthese zu etablieren.