كاوانيشي، اليابان، 15 نوفمبر 2022 /PRNewswire/ — تتفاقم المشكلات البيئية مثل تغير المناخ، واستنزاف الموارد الطبيعية، وانقراض الأنواع، والتلوث البلاستيكي، وإزالة الغابات في جميع أنحاء العالم بسبب الانفجار السكاني.
ثاني أكسيد الكربون (CO2) غاز دفيئة وأحد الأسباب الرئيسية لتغير المناخ. في هذا السياق، يمكن لعملية تُعرف باسم "التمثيل الضوئي الاصطناعي (اختزال ثاني أكسيد الكربون الضوئي)" إنتاج مواد عضوية أولية للوقود والمواد الكيميائية من ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة الشمسية، تمامًا كما تفعل النباتات. وفي الوقت نفسه، تُسهم هذه العملية في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، نظرًا لاستخدامه كمادة أولية لإنتاج الطاقة والموارد الكيميائية. لذا، يُعتبر التمثيل الضوئي الاصطناعي من أحدث التقنيات الخضراء.
تُعدّ الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مواد فائقة المسامية تتكون من تجمعات من المعادن غير العضوية وروابط عضوية. يمكن التحكم بها على المستوى الجزيئي في نطاق النانومتر، وتتميز بمساحة سطحية كبيرة. بفضل 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 عن طريق اختزاله ضوئيًا، أي ما يُعرف بالتمثيل الضوئي الاصطناعي.
أما النقاط الكمومية، فهي مواد فائقة الرقة (0.5-9 نانومتر) تتوافق خصائصها البصرية مع قوانين الكيمياء الكمومية والميكانيكا الكمومية. تُسمى هذه النقاط "ذرات اصطناعية" أو "جزيئات اصطناعية" لأن كل نقطة كمومية تتكون من بضع ذرات أو بضعة 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 النقاط 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.
تم تصنيع كل من الأطر المعدنية العضوية (MOFs) والنقاط الكمومية في إطار تحالف العلوم الخضراء. وقد سبق استخدام مواد مركبة من الأطر المعدنية العضوية والنقاط الكمومية بنجاح لإنتاج حمض الفورميك كمحفز خاص لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. مع ذلك، تأتي هذه المحفزات على شكل مسحوق، ويتطلب جمع هذا المسحوق بالترشيح في كل عملية. لذا، ونظرًا لعدم استمرارية هذه العمليات، يصعب تطبيقها عمليًا في الصناعة.
استجابةً لذلك، استخدم كلٌّ من السيد تيتسورو كاجينو، والسيد هيروهيسا إيواباياشي، والدكتور ريوهي موري من شركة "غرين ساينس ألاينس" المحدودة، تقنيتهم ​​لتثبيت محفزات التمثيل الضوئي الاصطناعي الخاصة هذه على صفائح نسيجية رخيصة الثمن، وطوّروا عملية جديدة لإنتاج حمض الفورميك، قابلة للتشغيل المستمر في التطبيقات الصناعية العملية. بعد اكتمال تفاعل التمثيل الضوئي الاصطناعي، يُمكن سحب الماء المحتوي على حمض الفورميك لاستخلاصه، ثم يُضاف ماء عذب جديد إلى الوعاء لاستئناف عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي بشكل مستمر.
يمكن لحمض الفورميك أن يحل محل وقود الهيدروجين. أحد الأسباب الرئيسية التي تعيق انتشار مجتمع الهيدروجين عالميًا هو أن الهيدروجين أصغر ذرة في الكون، مما يجعل تخزينه صعبًا، كما أن إنتاج خزان هيدروجين محكم الإغلاق سيكون مكلفًا للغاية. إضافةً إلى ذلك، قد يكون غاز الهيدروجين قابلًا للاشتعال ويشكل خطرًا على السلامة. ولأن حمض الفورميك سائل، يسهل تخزينه كوقود. ويمكن استخدامه، عند الضرورة، لتحفيز إنتاج الهيدروجين في الموقع. كما يمكن استخدامه كمادة خام للعديد من المواد الكيميائية.
على الرغم من أن كفاءة عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي لا تزال منخفضة، إلا أن تحالف العلوم الخضراء سيواصل النضال من أجل تحسين الكفاءة من أجل إرساء تطبيقات عملية لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.