Kawanishi, Japón, 15 de noviembre de 2022 /PRNewswire/ — Problemas ambientales como el cambio climático, el agotamiento de los recursos naturales, la extinción de especies, la contaminación plástica y la deforestación se están agravando en todo el mundo debido a una explosión demográfica.
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 conocido como «fotosíntesis artificial (fotorreducción de CO2)» puede producir materia prima orgánica para combustibles y productos químicos a partir de CO2, agua y energía solar, al igual que las plantas. Al mismo tiempo, también reducen las emisiones de CO2, ya que este se utiliza como materia prima para la producción de energía y recursos químicos. Por lo tanto, la fotosíntesis artificial se considera una de las tecnologías verdes más recientes.
Los MOF (Metal Organic Frameworks) son materiales ultraporosos compuestos por grupos de metales inorgánicos y enlaces orgánicos. Pueden controlarse a nivel molecular en el rango nanométrico y poseen una gran área superficial. 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, lo que permite la fotorreducción de CO₂, es decir, la fotosíntesis artificial.
Los puntos cuánticos, por otro lado, son materiales ultrafinos (0,5–9 nm) cuyas propiedades ópticas se ajustan a 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 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 de los puntos cuánticos. 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.
Tanto los MOF como los puntos cuánticos se han sintetizado en el marco de la Green Science Alliance. Anteriormente, se han utilizado con éxito materiales compuestos de puntos cuánticos MOF para producir ácido fórmico como catalizador especial para la fotosíntesis artificial. Sin embargo, estos catalizadores se presentan en polvo y deben recogerse por filtración en cada proceso. Por lo tanto, al no ser continuos, son difíciles de aplicar en la práctica industrial.
En respuesta, los Sres. Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi y Ryohei Mori, de Green Science Alliance Co., Ltd., utilizaron su tecnología para inmovilizar estos catalizadores especiales de fotosíntesis artificial en láminas textiles de bajo costo y desarrollaron un nuevo proceso para la producción de ácido fórmico, que puede operar de forma continua en aplicaciones industriales prácticas. Tras completar la reacción de fotosíntesis artificial, se puede extraer el agua que contiene ácido fórmico y agregar agua fresca al recipiente para reanudar la fotosíntesis artificial de forma continua.
El ácido fórmico puede sustituir al hidrógeno como combustible. Una de las principales razones que impiden la expansión de una sociedad basada en el hidrógeno a nivel mundial es que, al ser el átomo más pequeño del universo, es difícil almacenarlo y la producción de un tanque de hidrógeno con un alto grado de sellado resulta muy costosa. Además, el hidrógeno gaseoso puede ser explosivo y suponer un riesgo para la seguridad. Al ser líquido, es más fácil almacenarlo como combustible. De ser necesario, se puede utilizar para catalizar la producción de hidrógeno in situ. Además, se puede utilizar como materia prima para diversos productos químicos.
Aunque la eficiencia de la fotosíntesis artificial todavía es baja, la Green Science Alliance seguirá luchando por mejorar la eficiencia para establecer aplicaciones prácticas para la fotosíntesis artificial.