كاوانيش، اليابان، 15 نوفمبر 2022 /PRNewswire/ — أصبحت القضايا البيئية مثل تغير المناخ، واستنزاف الموارد، وانقراض الأنواع، والتلوث البلاستيكي، وإزالة الغابات الناجمة عن الزيادة السكانية في العالم أكثر إلحاحًا.
ثاني أكسيد الكربون (CO2) غاز دفيئة وأحد الأسباب الرئيسية لتغير المناخ. في هذا السياق، يمكن لعملية تُسمى "التمثيل الضوئي الاصطناعي (الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون)" إنتاج مواد خام عضوية للوقود والمواد الكيميائية من ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة الشمسية، كما تفعل النباتات. وفي الوقت نفسه، تُقلل هذه العملية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، الذي يُستخدم كمواد أولية لإنتاج الطاقة والمواد الكيميائية. ولذلك، يُعد التمثيل الضوئي الاصطناعي من أكثر التقنيات الخضراء تطورًا.
تُعدّ الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مواد فائقة المسامية تتكون من تجمعات من المعادن غير العضوية وروابط عضوية. ويمكن التحكم بها على المستوى الجزيئي في النطاق النانوي، مع مساحة سطحية كبيرة. وبفضل هذه الخصائص، يمكن استخدام الأطر المعدنية العضوية في تخزين الغازات، وفصلها، وامتصاص المعادن، والحفز، وتوصيل الأدوية، ومعالجة المياه، وأجهزة الاستشعار، والأقطاب الكهربائية، والمرشحات، وغيرها. وقد اكتُشف مؤخرًا أن للأطر المعدنية العضوية قدرة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن استخدامه لإنتاج مواد عضوية من خلال الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون، والمعروف أيضًا باسم التمثيل الضوئي الاصطناعي.
أما النقاط الكمومية، فهي مواد متناهية الصغر (0.5-9 نانومتر) ذات خصائص بصرية تخضع لقوانين الكيمياء الكمومية والميكانيكا الكمومية. تُسمى هذه النقاط "ذرات اصطناعية" أو "جزيئات اصطناعية" لأن كل نقطة كمومية تتكون من بضع ذرات أو آلاف من الذرات أو الجزيئات. في هذا النطاق الحجمي، تصبح مستويات طاقة الإلكترونات غير متصلة، وتنفصل نتيجة لظاهرة فيزيائية تُعرف بتأثير الحصر الكمومي. في هذه الحالة، يعتمد طول موجة الضوء المنبعث على حجم النقطة الكمومية. يمكن أيضًا استخدام هذه النقاط الكمومية في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي نظرًا لقدرتها العالية على امتصاص الضوء، وقدرتها على توليد إكسيتونات متعددة، ومساحة سطحها الكبيرة.
قام تحالف العلوم الخضراء بتصنيع كل من الأطر المعدنية العضوية (MOFs) والنقاط الكمومية. وقد سبق لهم استخدام مركبات الأطر المعدنية العضوية والنقاط الكمومية بنجاح لإنتاج حمض الفورميك كمحفز خاص لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. مع ذلك، تأتي هذه المحفزات على شكل مسحوق، ويجب جمع هذا المسحوق بالترشيح في كل عملية. لذا، يصعب تطبيقها في الاستخدام الصناعي الفعلي لأن هذه العمليات غير مستمرة.
استجابةً لذلك، استخدم كلٌّ من السيد كاجينو تيتسورو، والسيد إيواباياشي هيروهيسا، والدكتور موري ريوهي من شركة "غرين ساينس ألاينس" المحدودة، تقنيتهم ​​لتثبيت محفزات التمثيل الضوئي الاصطناعي الخاصة هذه على نسيج رخيص الثمن، وأنشأوا مصنعًا جديدًا لحمض الفورميك. يمكن تشغيل هذه العملية بشكل مستمر لتطبيقات صناعية عملية. بعد اكتمال تفاعل التمثيل الضوئي الاصطناعي، يُستخرج الماء المحتوي على حمض الفورميك، ثم يُضاف ماء عذب جديد إلى الوعاء لاستئناف عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.
يمكن لحمض الفورميك أن يحل محل وقود الهيدروجين. أحد الأسباب الرئيسية التي تعيق تبني مجتمع يعتمد على الهيدروجين عالميًا هو صعوبة تخزين الهيدروجين، أصغر ذرة في الكون، وتكلفة بناء خزانات محكمة الإغلاق للهيدروجين. إضافةً إلى ذلك، قد يكون غاز الهيدروجين قابلًا للاشتعال ويشكل خطرًا على السلامة. يُعد تخزين حمض الفورميك كوقود أسهل بكثير نظرًا لكونه سائلًا. عند الضرورة، يمكن لحمض الفورميك أن يحفز التفاعل لإنتاج الهيدروجين في الموقع. كما يمكن استخدام حمض الفورميك كمادة خام للعديد من المواد الكيميائية.
حتى وإن كانت كفاءة التمثيل الضوئي الاصطناعي لا تزال منخفضة للغاية في الوقت الحالي، فإن تحالف العلوم الخضراء سيواصل النضال من أجل زيادة الكفاءة وإدخال التمثيل الضوئي الاصطناعي التطبيقي الحقيقي.