Kawanishi, Japón, 15 de noviembre de 2022 /PRNewswire/ — Los problemas ambientales como el cambio climático, el agotamiento de los recursos naturales, la extinción de especies, la contaminación por plásticos y la deforestación se están agravando en todo el mundo debido a la 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 reduce 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 (estructuras metalorgánicas) son materiales ultraporosos compuestos por cúmulos de metales inorgánicos y ligandos orgánicos. Se pueden controlar a nivel molecular en el rango nanométrico y poseen una gran superficie. 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 mediante fotorreducción, es decir, fotosíntesis artificial.
Por otro lado, los puntos cuánticos son materiales ultrafinos (0,5–9 nm) cuyas propiedades ópticas se ajustan a las leyes de la química cuántica y la mecánica cuántica. Se les denomina "átomos artificiales" o "moléculas artificiales" porque cada punto cuántico consta de tan solo unos pocos o unos 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 Alianza para la Ciencia Verde. Anteriormente, se utilizaron con éxito materiales compuestos de MOF y puntos cuánticos para producir ácido fórmico, un catalizador especial para la fotosíntesis artificial. Sin embargo, estos catalizadores se presentan en forma de polvo y deben recolectarse mediante filtración en cada proceso. Por lo tanto, dado que estos procesos no son continuos, su aplicación a nivel industrial resulta compleja.
En respuesta, el Sr. Tetsuro Kajino, el Sr. Hirohisa Iwabayashi y el Dr. Ryohei Mori, de Green Science Alliance Co., Ltd., utilizaron su tecnología para inmovilizar estos catalizadores especiales de fotosíntesis artificial en láminas textiles económicas y desarrollaron un nuevo proceso para la producción de ácido fórmico, que puede operar de forma continua en aplicaciones industriales prácticas. Una vez finalizada la reacción de fotosíntesis artificial, el agua que contiene ácido fórmico puede extraerse y se puede añadir 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, su almacenamiento resulta complejo y la producción de un tanque de hidrógeno con un alto grado de estanqueidad es sumamente costosa. Además, el hidrógeno gaseoso es explosivo y representa un riesgo para la seguridad. Dado que el ácido fórmico es líquido, su almacenamiento como combustible es más sencillo. En caso necesario, puede utilizarse como catalizador para la producción de hidrógeno in situ. Asimismo, el ácido fórmico puede emplearse como materia prima para diversos productos químicos.
Aunque la eficiencia de la fotosíntesis artificial aún es baja, la Alianza para la Ciencia Verde seguirá luchando por mejorarla para establecer aplicaciones prácticas.