คาวานิช ประเทศญี่ปุ่น 15 พฤศจิกายน 2022 /PRNewswire/ — ปัญหาสิ่งแวดล้อม เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การ枯枯ของทรัพยากร การสูญพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต มลพิษจากพลาสติก และการตัดไม้ทำลายป่าที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของประชากรโลก กำลังทวีความรุนแรงมากขึ้น
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจกและเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในเรื่องนี้ กระบวนการที่เรียกว่า "การสังเคราะห์แสงเทียม (การลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสง)" สามารถผลิตวัตถุดิบอินทรีย์สำหรับเชื้อเพลิงและสารเคมีจากคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์ เช่นเดียวกับที่พืชทำ ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดการปล่อย CO2 ซึ่งใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตพลังงานและสารเคมี ดังนั้น การสังเคราะห์แสงเทียมจึงเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสีเขียวที่ก้าวหน้าที่สุด
MOFs (โครงสร้างโลหะอินทรีย์) เป็นวัสดุที่มีรูพรุนสูงมาก ประกอบด้วยกลุ่มของโลหะอนินทรีย์และตัวเชื่อมอินทรีย์ สามารถควบคุมได้ในระดับโมเลกุลในช่วงนาโนเมตร โดยมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ MOFs จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการกักเก็บก๊าซ การแยกสาร การดูดซับโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยา การนำส่งยา การบำบัดน้ำ เซ็นเซอร์ อิเล็กโทรด ตัวกรอง ฯลฯ เมื่อไม่นานมานี้ พบว่า MOFs มีความสามารถในการดักจับ CO2 ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการผลิตสารอินทรีย์ผ่านกระบวนการลด CO2 ด้วยแสง หรือที่เรียกว่าการสังเคราะห์แสงเทียม
ในทางกลับกัน ควอนตัมดอตเป็นวัสดุขนาดเล็กมาก (0.5–9 นาโนเมตร) ที่มีคุณสมบัติทางแสงซึ่งเป็นไปตามกฎของเคมีควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม จึงเรียกว่า "อะตอมเทียมหรือโมเลกุลเทียม" เพราะแต่ละควอนตัมดอตประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลเพียงไม่กี่อะตอมถึงหลายพันอะตอม ในช่วงขนาดนี้ ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจะไม่ต่อเนื่องกันและแยกออกจากกันเนื่องจากปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่าผลกระทบการกักขังควอนตัม ในกรณีนี้ ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจะขึ้นอยู่กับขนาดของควอนตัมดอต ควอนตัมดอตเหล่านี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสังเคราะห์แสงเทียมได้เนื่องจากมีความสามารถในการดูดซับแสงสูง สามารถสร้างเอ็กซิตอนได้หลายตัว และมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่
ทั้ง MOF และควอนตัมดอตได้รับการสังเคราะห์โดย Green Science Alliance แล้ว ก่อนหน้านี้ พวกเขาประสบความสำเร็จในการใช้สารประกอบ MOF-ควอนตัมดอตเพื่อผลิตกรดฟอร์มิกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาพิเศษสำหรับการสังเคราะห์แสงเทียม อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้อยู่ในรูปผง และต้องเก็บรวบรวมผงตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้โดยการกรองในแต่ละกระบวนการ ดังนั้นจึงยากที่จะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมจริง เนื่องจากกระบวนการเหล่านี้ไม่ต่อเนื่อง
เพื่อตอบสนองต่อความต้องการดังกล่าว นายคาจิโนะ เท็ตสึโระ นายอิวาบายาชิ ฮิโรฮิสะ และดร.โมริ เรียวเฮ จากบริษัท กรีน ไซเอนซ์ อัลไลแอนซ์ จำกัด ได้นำเทคโนโลยีของตนมาใช้ในการตรึงตัวเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเทียมชนิดพิเศษเหล่านี้บนผ้าสิ่งทอราคาประหยัด และเปิดโรงงานผลิตกรดฟอร์มิกแห่งใหม่ กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องเพื่อการใช้งานในอุตสาหกรรมจริง หลังจากปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเทียมเสร็จสิ้นแล้ว สามารถนำน้ำที่มีกรดฟอร์มิกออกมาสกัดได้ จากนั้นจึงเติมน้ำสะอาดใหม่ลงในภาชนะเพื่อดำเนินการสังเคราะห์แสงเทียมต่อไป
กรดฟอร์มิกสามารถใช้แทนเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ หนึ่งในเหตุผลหลักที่ขัดขวางการนำไฮโดรเจนมาใช้ในสังคมทั่วโลกคือ ไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เล็กที่สุดในจักรวาลนั้นจัดเก็บได้ยาก และการสร้างแหล่งกักเก็บไฮโดรเจนที่ปิดสนิทอย่างดีนั้นจะมีค่าใช้จ่ายสูงมาก นอกจากนี้ ก๊าซไฮโดรเจนยังอาจระเบิดได้และก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัย การจัดเก็บกรดฟอร์มิกเป็นเชื้อเพลิงนั้นง่ายกว่ามากเพราะอยู่ในสถานะของเหลว หากจำเป็น กรดฟอร์มิกสามารถเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตไฮโดรเจนได้ในแหล่งกำเนิด นอกจากนี้ กรดฟอร์มิกยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับสารเคมีต่างๆ ได้อีกด้วย
แม้ว่าประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงเทียมในปัจจุบันจะยังต่ำมาก แต่กลุ่มพันธมิตรวิทยาศาสตร์สีเขียวจะยังคงต่อสู้ต่อไปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและนำการสังเคราะห์แสงเทียมมาประยุกต์ใช้ได้อย่างแท้จริง