KAWANISH, Nhật Bản, ngày 15 tháng 11 năm 2022 /PRNewswire/ — Các vấn đề môi trường như biến đổi khí hậu, cạn kiệt tài nguyên, tuyệt chủng loài, ô nhiễm nhựa và nạn phá rừng do sự gia tăng dân số thế giới đang trở nên cấp bách hơn.
Khí carbon dioxide (CO2) là một loại khí nhà kính và là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh đó, một quá trình gọi là “quang hợp nhân tạo (khử carbon dioxide bằng ánh sáng)” có thể sản xuất nguyên liệu hữu cơ cho nhiên liệu và hóa chất từ ​​carbon dioxide, nước và năng lượng mặt trời, tương tự như cách thực vật làm. Đồng thời, quá trình này giúp giảm lượng khí thải CO2, vốn được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất năng lượng và hóa chất. Vì vậy, quang hợp nhân tạo được biết đến như một trong những công nghệ xanh tiên tiến nhất.
MOF (khung kim loại-hữu cơ) là vật liệu siêu xốp được cấu tạo từ các cụm kim loại vô cơ và các chất liên kết hữu cơ. Chúng có thể được kiểm soát ở cấp độ phân tử trong phạm vi nano với diện tích bề mặt lớn. Nhờ những đặc tính này, MOF có thể được ứng dụng trong lưu trữ khí, tách khí, hấp phụ kim loại, xúc tác, vận chuyển thuốc, xử lý nước, cảm biến, điện cực, bộ lọc, v.v. Gần đây, người ta phát hiện ra rằng MOF có khả năng thu giữ CO2, có thể được sử dụng để sản xuất các chất hữu cơ thông qua quá trình quang khử CO2, còn được gọi là quang hợp nhân tạo.
Mặt khác, các chấm lượng tử là những vật liệu siêu nhỏ (0,5–9 nanomet) với các đặc tính quang học tuân theo các quy luật của hóa học lượng tử và cơ học lượng tử. Chúng được gọi là “nguyên tử nhân tạo hoặc phân tử nhân tạo” vì mỗi chấm lượng tử chỉ bao gồm từ vài đến hàng nghìn nguyên tử hoặc phân tử. Trong phạm vi kích thước này, các mức năng lượng của electron không còn liên tục mà bị tách rời do một hiện tượng vật lý được gọi là hiệu ứng giam hãm lượng tử. Trong trường hợp này, bước sóng của ánh sáng phát ra sẽ phụ thuộc vào kích thước của chấm lượng tử. Các chấm lượng tử này cũng có thể được ứng dụng trong quang hợp nhân tạo nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng cao, khả năng tạo ra nhiều exciton và diện tích bề mặt lớn.
Cả MOF và chấm lượng tử đều đã được Liên minh Khoa học Xanh tổng hợp. Trước đây, họ đã sử dụng thành công các vật liệu composite MOF-chấm lượng tử để sản xuất axit formic làm chất xúc tác đặc biệt cho quá trình quang hợp nhân tạo. Tuy nhiên, các chất xúc tác này ở dạng bột và phải được thu gom bằng phương pháp lọc trong mỗi quy trình. Do đó, rất khó để áp dụng chúng vào thực tiễn công nghiệp vì các quy trình này không liên tục.
Để đáp lại, ông Kajino Tetsuro, ông Iwabayashi Hirohisa và tiến sĩ Mori Ryohei của Công ty TNHH Liên minh Khoa học Xanh đã sử dụng công nghệ của họ để cố định các chất xúc tác quang hợp nhân tạo đặc biệt này trên một loại vải dệt giá rẻ và mở một nhà máy sản xuất axit formic mới. Quy trình này có thể được vận hành liên tục cho các ứng dụng công nghiệp thực tiễn. Sau khi phản ứng quang hợp nhân tạo hoàn tất, nước chứa axit formic có thể được lấy ra và chiết xuất, sau đó có thể thêm nước sạch mới vào thùng chứa để tiếp tục quá trình quang hợp nhân tạo.
Axit fomic có thể thay thế nhiên liệu hydro. Một trong những lý do chính cản trở việc áp dụng rộng rãi xã hội dựa trên hydro trên toàn thế giới là hydro, nguyên tử nhỏ nhất trong vũ trụ, rất khó lưu trữ, và việc xây dựng một bể chứa hydro kín sẽ rất tốn kém. Thêm vào đó, khí hydro có thể dễ cháy nổ và gây nguy hiểm. Việc lưu trữ axit fomic làm nhiên liệu dễ dàng hơn nhiều vì chúng ở dạng lỏng. Nếu cần thiết, axit fomic có thể xúc tác phản ứng để sản xuất hydro tại chỗ. Ngoài ra, axit fomic có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô cho nhiều loại hóa chất khác nhau.
Ngay cả khi hiệu quả của quang hợp nhân tạo hiện nay vẫn còn rất thấp, Liên minh Khoa học Xanh sẽ tiếp tục nỗ lực để nâng cao hiệu quả và đưa quang hợp nhân tạo vào ứng dụng thực tế.