คาวานิชิ ประเทศญี่ปุ่น 15 พฤศจิกายน 2022 /PRNewswire/ — ปัญหาสิ่งแวดล้อม เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การลดลงของทรัพยากรธรรมชาติ การสูญพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต มลพิษจากพลาสติก และการตัดไม้ทำลายป่า กำลังทวีความรุนแรงขึ้นทั่วโลกเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของประชากรอย่างรวดเร็ว
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจกและเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในเรื่องนี้ กระบวนการที่เรียกว่า "การสังเคราะห์แสงเทียม (การลด CO2 ด้วยแสง)" สามารถผลิตวัตถุดิบอินทรีย์สำหรับเชื้อเพลิงและสารเคมีจาก CO2 น้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์ได้เช่นเดียวกับที่พืชทำ ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดการปล่อย CO2 เนื่องจาก CO2 ถูกนำมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตพลังงานและทรัพยากรทางเคมี ดังนั้น การสังเคราะห์แสงเทียมจึงถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสีเขียวที่ทันสมัยที่สุด
MOFs (Metal Organic Frameworks) คือวัสดุที่มีรูพรุนสูงมาก ประกอบด้วยกลุ่มของโลหะอนินทรีย์และตัวเชื่อมอินทรีย์ สามารถควบคุมโครงสร้างได้ในระดับโมเลกุลในช่วงนาโนเมตรและมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ MOFs จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการกักเก็บก๊าซ การแยกสาร การดูดซับโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยา การนำส่งยา การบำบัดน้ำ เซ็นเซอร์ อิเล็กโทรด ตัวกรอง ฯลฯ ล่าสุดพบว่า MOFs มีความสามารถในการดักจับ CO2 ซึ่งสามารถลด CO2 ด้วยแสงได้ หรือก็คือการสังเคราะห์แสงเทียม
ในทางกลับกัน ควอนตัมดอตเป็นวัสดุที่บางมาก (0.5–9 นาโนเมตร) ซึ่งมีคุณสมบัติทางแสงที่สอดคล้องกับกฎของเคมีควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม จึงเรียกว่า "อะตอมเทียมหรือโมเลกุลเทียม" เพราะแต่ละควอนตัมดอตประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลเพียงไม่กี่อะตอมหรือหลายพันอะตอมเท่านั้น ในช่วงขนาดนี้ ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจะไม่ต่อเนื่องและแยกออกจากกันเนื่องจากปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่าผลกระทบการกักขังควอนตัม ในกรณีนี้ ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจะขึ้นอยู่กับขนาดของควอนตัมดอต ควอนตัมดอตเหล่านี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสังเคราะห์แสงเทียมได้เนื่องจากมีความสามารถในการดูดซับแสงสูง สามารถสร้างเอ็กซิตอนได้หลายตัว และมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่
ทั้ง MOF และควอนตัมดอทได้รับการสังเคราะห์ขึ้นภายใต้โครงการ Green Science Alliance ก่อนหน้านี้ พวกเขาประสบความสำเร็จในการใช้สารประกอบ MOF และควอนตัมดอทในการผลิตกรดฟอร์มิก ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาพิเศษสำหรับการสังเคราะห์แสงเทียม อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้อยู่ในรูปผง และต้องเก็บรวบรวมผงตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้โดยการกรองในแต่ละกระบวนการ ดังนั้น เนื่องจากกระบวนการเหล่านี้ไม่ต่อเนื่อง จึงยากที่จะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมจริง
เพื่อตอบสนองต่อความต้องการดังกล่าว นายเท็ตสึโร คาจิโนะ นายฮิโรฮิสะ อิวาบายาชิ และดร.เรียวเฮ โมริ จากบริษัท กรีน ไซเอนซ์ อัลไลแอนซ์ จำกัด ได้ใช้เทคโนโลยีของพวกเขาในการตรึงตัวเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเทียมชนิดพิเศษเหล่านี้ลงบนแผ่นสิ่งทอราคาประหยัด และพัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการผลิตกรดฟอร์มิก ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องในการใช้งานทางอุตสาหกรรมจริง หลังจากปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเทียมเสร็จสิ้นแล้ว สามารถนำน้ำที่มีกรดฟอร์มิกออกมาสกัด และเติมน้ำสะอาดใหม่กลับเข้าไปในภาชนะเพื่อเริ่มการสังเคราะห์แสงเทียมอย่างต่อเนื่องได้
กรดฟอร์มิกสามารถใช้แทนเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ หนึ่งในเหตุผลหลักที่ขัดขวางการแพร่กระจายของสังคมไฮโดรเจนทั่วโลกคือ ไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่เล็กที่สุดในจักรวาล จึงยากต่อการจัดเก็บ และการผลิตถังไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพในการปิดผนึกสูงจะมีราคาแพงมาก นอกจากนี้ ก๊าซไฮโดรเจนยังสามารถระเบิดได้และก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัย เนื่องจากกรดฟอร์มิกเป็นของเหลว จึงจัดเก็บได้ง่ายกว่าในฐานะเชื้อเพลิง หากจำเป็น กรดฟอร์มิกสามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตไฮโดรเจนในแหล่งกำเนิดได้ นอกจากนี้ กรดฟอร์มิกยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับสารเคมีต่างๆ ได้อีกด้วย
แม้ว่าประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงเทียมจะยังต่ำอยู่ แต่กลุ่มพันธมิตรวิทยาศาสตร์สีเขียวจะยังคงต่อสู้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพต่อไป เพื่อสร้างการประยุกต์ใช้การสังเคราะห์แสงเทียมในทางปฏิบัติ