KAWANISH, Japón, 15 de noviembre de 2022 /PRNewswire/ — Los problemas ambientales como el cambio climático, el agotamiento de los recursos, la extinción de especies, la contaminación plástica y la deforestación causadas por el aumento de la población mundial son cada vez más urgentes.
El dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero y una de las principales causas del cambio climático. En este sentido, un proceso denominado «fotosíntesis artificial (fotorreducción del dióxido de carbono)» permite producir materias primas orgánicas para combustibles y productos químicos a partir de dióxido de carbono, agua y energía solar, como lo hacen las plantas. Al mismo tiempo, reducen las emisiones de CO2, que se utilizan como materia prima para la producción de energía y productos químicos. Por lo tanto, la fotosíntesis artificial se considera una de las tecnologías verdes más avanzadas.
Los MOF (estructuras metalorgánicas) son materiales superporosos compuestos por grupos de metales inorgánicos y enlaces orgánicos. Pueden controlarse a nivel molecular en el rango nanométrico con una gran superficie. Gracias a estas propiedades, los MOF se pueden aplicar en el almacenamiento de gases, la separación, la adsorción de metales, la catálisis, la administración de fármacos, el tratamiento de aguas, sensores, electrodos, filtros, etc. Recientemente se ha descubierto que los MOF tienen la capacidad de capturar CO₂, que puede utilizarse para producir sustancias orgánicas mediante la fotorreducción de CO₂, también conocida como fotosíntesis artificial.
Los puntos cuánticos, por otro lado, son materiales ultrapequeños (0,5-9 nanómetros) con propiedades ópticas que obedecen las reglas de la química y la mecánica cuánticas. Se denominan «átomos o moléculas artificiales» porque cada punto cuántico consta de tan solo unos pocos a miles de átomos o moléculas. En este rango de tamaño, los niveles de energía de los electrones dejan de ser continuos y se separan debido a un fenómeno físico conocido como efecto de confinamiento cuántico. En este caso, la longitud de onda de la luz emitida dependerá del tamaño del punto cuántico. Estos puntos cuánticos también se pueden aplicar en la fotosíntesis artificial debido a su alta capacidad de absorción de luz, su capacidad para generar múltiples excitones y su gran superficie.
La Green Science Alliance ha sintetizado tanto MOF como puntos cuánticos. Anteriormente, han utilizado con éxito compuestos de MOF y puntos cuánticos para producir ácido fórmico como catalizador especial para la fotosíntesis artificial. Sin embargo, estos catalizadores se presentan en polvo y deben recolectarse por filtración en cada proceso. Por lo tanto, su aplicación industrial real es difícil debido a la discontinuidad de estos procesos.
En respuesta, el Sr. Kajino Tetsuro, el Sr. Iwabayashi Hirohisa y el Dr. Mori Ryohei, de Green Science Alliance Co., Ltd., utilizaron su tecnología para inmovilizar estos catalizadores especiales de fotosíntesis artificial en un tejido económico e inauguraron una nueva planta de ácido fórmico. El proceso puede funcionar de forma continua para aplicaciones industriales prácticas. Tras completar la reacción de fotosíntesis artificial, se puede extraer el agua que contiene ácido fórmico y, a continuación, añadir agua fresca al recipiente para reanudar la fotosíntesis artificial.
El ácido fórmico puede sustituir al hidrógeno como combustible. Una de las principales razones que frena la adopción mundial de una sociedad basada en el hidrógeno es su difícil almacenamiento, el átomo más pequeño del universo, y su construcción en un depósito bien sellado resultaría muy costosa. Además, el hidrógeno gaseoso puede ser explosivo y suponer un riesgo para la seguridad. Es mucho más fácil almacenar el ácido fórmico como combustible porque es líquido. De ser necesario, el ácido fórmico puede catalizar la reacción para producir hidrógeno in situ. Además, el ácido fórmico puede utilizarse como materia prima para diversos productos químicos.
Aunque la eficiencia de la fotosíntesis artificial todavía es muy baja, la Green Science Alliance seguirá luchando para aumentar la eficiencia e introducir una fotosíntesis artificial verdaderamente aplicada.