"Quang hợp nhân tạo" : Biến CO₂ và nước thành nhiên liệu bằng năng lượng Mặt Trời

Một quy trình chạy bằng năng lượng Mặt Trời mô phỏng cơ chế quang hợp của thực vật có thể được sử dụng để tạo ra các tài nguyên giá trị như nhiên liệu, theo các nhà nghiên cứu.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một phương pháp lấy cảm hứng từ thực vật để chuyển đổi khí carbon dioxide (CO₂) và nước thành những hóa chất có giá trị, bao gồm các thành phần nền tảng của xăng dầu, bằng cách sử dụng năng lượng Mặt Trời.

Quy trình này – được lấy cảm hứng từ quang hợp, khi thực vật khai thác ánh sáng Mặt Trời, carbon dioxide và nước để tạo ra năng lượng – có thể giúp tạo ra một nguồn nhiên liệu bền vững, nhóm nghiên cứu cho biết.

Nhóm khoa học, đến từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong, cho biết họ đã phát triển một vật liệu có khả năng lưu trữ một lượng nhỏ năng lượng điện nhằm thúc đẩy hiệu quả các phản ứng hóa học.

Khi kết hợp với các chất xúc tác có khả năng chuyển đổi carbon dioxide thành nhiều loại hóa chất khác nhau, hệ thống này cho phép sản xuất carbon monoxide (CO) bằng năng lượng Mặt Trời.

Carbon monoxide sau đó có thể được tiếp tục chuyển hóa thành nhiên liệu, mở ra một giải pháp tiềm năng cho các lĩnh vực khó điện hóa như hàng không và vận tải biển.

“Công trình này thiết lập một chiến lược lưu trữ điện tích lấy cảm hứng sinh học cho quá trình quang khử carbon dioxide hiệu quả, cung cấp một cách tiếp cận mang tính phổ quát cho sản xuất nhiên liệu Mặt Trời”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo đăng trên tạp chí khoa học bình duyệt Nature Communications tuần trước.

Theo nhóm nghiên cứu, việc chuyển đổi carbon dioxide bằng xúc tác quang – hay kích hoạt bằng ánh sáng – đang thu hút nhiều sự quan tâm như một phương thức đầy hứa hẹn để giảm phát thải khí nhà kính và giảm áp lực về tài nguyên.

Một ứng dụng tiềm năng quan trọng là sản xuất “nhiên liệu Mặt Trời” – hay nhiên liệu tổng hợp được tạo ra bằng năng lượng Mặt Trời nhưng có đặc tính tương tự nhiên liệu hóa thạch, cho phép chúng tương thích với hạ tầng hiện có vốn chạy bằng nhiên liệu truyền thống.

Điều này có thể đạt được thông qua việc chuyển đổi carbon dioxide thành các hóa chất khác như carbon monoxide, sau đó được xử lý thành các hydrocarbon lỏng để làm nhiên liệu.

Năng lượng từ Mặt Trời là vô tận, nhưng thách thức lớn đối với các nhà khoa học là làm sao chuyển đổi nguồn năng lượng đó thành nhiên liệu một cách hiệu quả.

Một công ty đang theo đuổi hướng đi này là Synhelion, doanh nghiệp năng lượng sạch của Thụy Sĩ, đơn vị đã xây dựng nhà máy nhiên liệu Mặt Trời quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới vào năm 2024.

Theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc, các hệ thống trước đây nhằm chuyển đổi carbon dioxide thường dựa vào các tác nhân hy sinh hữu cơ, vốn giúp cải thiện hiệu suất xúc tác quang trong những thập kỷ gần đây.

Tuy nhiên, các tác nhân này bị tiêu hao vĩnh viễn trong quá trình phản ứng, khiến phương pháp trở nên kém bền vững và tốn kém hơn.

Việc sử dụng nước thay cho các tác nhân hy sinh sẽ là lý tưởng, nhưng điều này đòi hỏi phải liên kết nhiều phản ứng hóa học phức tạp với nhau, chẳng hạn như quá trình oxy hóa nước và khử carbon dioxide.

Trong khi đó, quang hợp tự nhiên lại cực kỳ hiệu quả trong việc thực hiện những phản ứng này, nhờ một phân tử có khả năng tạm thời lưu trữ các electron được tạo ra bởi ánh sáng, giúp truyền năng lượng hiệu quả.

“Lấy cảm hứng từ chiến lược tự nhiên này, chúng tôi đã cân nhắc việc đưa một cơ chế lưu trữ điện tích tương tự vào hệ thống quang hợp nhân tạo”, các nhà nghiên cứu cho biết.

Để mô phỏng quá trình đó, nhóm đã thiết kế một vật liệu tungsten trioxide được biến đổi bằng bạc, cho phép các electron được lưu trữ khi có ánh sáng chiếu vào và được giải phóng khi cần thiết.

Họ cho biết vật liệu này có hiệu suất tương đương các hệ thống sử dụng tác nhân hy sinh hữu cơ, đồng thời có “tính ứng dụng phổ quát” khi kết hợp với nhiều loại chất xúc tác khác nhau.

Nhóm cũng thử nghiệm hệ thống dưới ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và phát hiện phản ứng có thể được kích hoạt trực tiếp, mở ra triển vọng ứng dụng thực tế trong sản xuất nhiên liệu Mặt Trời.

“Chiến lược này không chỉ loại bỏ nhu cầu sử dụng các tác nhân hy sinh kém bền vững, mà còn cung cấp một nguyên tắc thiết kế linh hoạt và vững chắc để xây dựng các hệ thống xúc tác quang độc lập, hiệu quả, có thể ứng dụng trong những lĩnh vực như sản xuất nhiên liệu Mặt Trời”, nhóm nghiên cứu kết luận.

THEO VIETTIMES