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 por plásticos y la deforestación causadas por el aumento de la población mundial son cada vez más acuciantes.
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, al igual que las plantas. Al mismo tiempo, reduce las emisiones de CO₂, que se utilizan como materia prima para la producción de energía y productos químicos. Por ello, la fotosíntesis artificial se considera una de las tecnologías verdes más avanzadas.
Los MOF (estructuras metalorgánicas) son materiales superporosos compuestos por cúmulos de metales inorgánicos y ligandos orgánicos. Su estructura se puede controlar a nivel molecular en el rango nanométrico, con una gran superficie específica. Gracias a estas propiedades, los MOF se pueden aplicar en el almacenamiento y la separación de gases, 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, el cual puede utilizarse para producir sustancias orgánicas mediante la fotorreducción de CO₂, también conocida como fotosíntesis artificial.
Por otro lado, los puntos cuánticos son materiales ultracompactos (de 0,5 a 9 nanómetros) con propiedades ópticas que obedecen las leyes de la química y la mecánica cuánticas. Se les denomina "átomos artificiales" o "moléculas artificiales" porque cada punto cuántico consta de tan solo unos pocos o 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 pueden aplicarse en la fotosíntesis artificial debido a su alta capacidad de absorción de luz, su capacidad para generar múltiples excitones y su gran superficie.
La Alianza para la Ciencia Verde ha sintetizado tanto MOF como puntos cuánticos. Anteriormente, utilizaron con éxito compuestos de MOF y puntos cuánticos para producir ácido fórmico, un catalizador especial para la fotosíntesis artificial. Sin embargo, estos catalizadores se presentan en polvo y deben recolectarse mediante filtración en cada proceso. Por lo tanto, su aplicación industrial resulta difícil debido a la falta de continuidad en los 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 textil económico y inauguraron una nueva planta de ácido fórmico. El proceso puede funcionar de forma continua para aplicaciones industriales prácticas. Una vez finalizada la reacción de fotosíntesis artificial, el agua que contiene ácido fórmico se puede extraer y, posteriormente, se puede añadir agua fresca al recipiente para reanudar la fotosíntesis artificial.
El ácido fórmico puede sustituir al hidrógeno como combustible. Uno de los principales obstáculos para la adopción global de una sociedad basada en el hidrógeno es que este, el átomo más pequeño del universo, es difícil de almacenar y la construcción de un depósito hermético sería muy costosa. Además, el hidrógeno gaseoso es explosivo y representa un peligro para la seguridad. El ácido fórmico, al ser líquido, es mucho más fácil de almacenar como combustible. Si es necesario, puede catalizar la reacción para producir hidrógeno in situ. Asimismo, puede utilizarse como materia prima para diversos productos químicos.
Aunque la eficiencia de la fotosíntesis artificial sea actualmente muy baja, la Alianza para la Ciencia Verde seguirá luchando para aumentarla e introducir una fotosíntesis artificial verdaderamente aplicada.