Phát minh đột phá: Sản xuất nhiên liệu sạch bằng quang hợp nhân tạo từ năng lượng mặt trời

Một lò phản ứng quang với lá nhân tạo hoạt động dưới bức xạ mặt trời. Ảnh: Motiar Rahaman.

Các nhà khoa học đến từ ĐH Cambridge đã khai thác quá trình quang hợp theo phương pháp tự nhiên để chuyển đổi CO2, nước và ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu đa carbon là ethanol và propanol, còn được gọi là nhiên liệu thả vào (drop-in fuel) chỉ bằng một bước.

Nhiên liệu thả vào là chất thay thế tổng hợp, hoàn toàn có thể hoán đổi cho những hydrocacbon có nguồn gốc từ dầu mỏ thông thường (xăng, nhiên liệu phản lực và dầu diesel), không yêu cầu điều chỉnh, cải tiến động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu để thích ứng. Những nhiên liệu này có mật độ năng lượng cao và dễ dàng lưu trữ hoặc vận chuyển.

Có ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu hóa thạch, nhóm nhiên liệu năng lượng mặt trời này tạo ra lượng khí thải carbon ròng bằng 0, hoàn toàn có thể tái tạo, không giống như các loại ethanol sinh học, nhiên liệu loại này không chiếm dụng bất kỳ vùng đất nông nghiệp nào khỏi sản xuất lương thực.

Mặc dù công nghệ quang hợp sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết, phát minh "lá nhân tạo" là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế bền vững, thân thiện môi trường. Những kết quả mang tính cách mạng này được đăng tải trên tạp chí Nature Energy .

Ethanol sinh học được quảng cáo là một giải pháp thay thế sạch hơn cho xăng dầu, vì được sản xuất từ thực vật thay cho nhiên liệu hóa thạch. Hầu hết ô tô và xe tải trên đường ngày nay đều chạy bằng xăng có chứa tới 10% ethanol (nhiên liệu E10). Mỹ hiện là nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất thế giới, theo Bộ Nông nghiệp Mỹ, gần 45% tổng số ngô trồng ở quốc gia này được sử dụng để sản xuất ethanol .

GS Erwin Reisner, dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết: “Nhiên liệu sinh học như ethanol là công nghệ gây tranh cãi, nhược điểm là việc sản xuất đã chiếm dụng đất nông nghiệp, có thể được sử dụng để trồng lương thực”.

Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của GS Reisner, có trụ sở tại Khoa Hóa học Yusuf Hamied đã phát triển các loại nhiên liệu bền vững trung hòa carbon, lấy ý tưởng từ quá trình quang hợp, quá trình thực vật chuyển đổi CO2 và nước dưới tác động của ánh sáng mặt trời thành dinh dưỡng bằng phương pháp sử dụng lá nhân tạo.

Một chiếc lá nhân tạo độc lập được gắn vào giá đỡ thanh kim loại. Photoanode là hình vuông màu xanh lá cây trong ảnh. Ảnh: Motiar Rahaman

Cho đến nay, những chiếc lá nhân tạo, có khả năng quang hợp như lá cây tự nhiên này chỉ có thể tạo ra những hóa chất đơn giản như khí tổng hợp, hỗn hợp hydro và carbon monoxide, được sử dụng để sản xuất nhiên liệu, dược phẩm, nhựa và phân bón. Nhưng để làm cho công nghệ trở nên phù hợp hơn với sự chuyển đổi của thế giới, lá nhân tạo cần có khả năng sản xuất trực tiếp những hóa chất phức tạp hơn trong một phản ứng hóa học bằng năng lượng mặt trời.

Trong công trình nghiên cứu này, các nhà khoa học đã đạt được kết quả mang tính đột phá, lá nhân tạo có thể trực tiếp sản xuất ethanol và propanol sạch, không cần qua bước trung gian là sản xuất khí tổng hợp.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác trên cơ sở đồng và palladi. Chất xúc tác được tối ưu hóa theo phương thức cho phép lá nhân tạo tạo ra những hóa chất phức tạp hơn như rượu đa carbon etanol và n-propanol. Cả hai loại rượu này đều là nhiên liệu có mật độ năng lượng cao, dễ dàng vận chuyển và lưu trữ.

Các nhóm nghiên cứu khoa học khác có thể sản xuất những hóa chất tương tự bằng phương thức sử dụng năng lượng điện , nhưng đây là lần đầu tiên những hóa chất phức tạp như vậy được sản xuất bằng lá nhân tạo chỉ sử dụng năng lượng từ mặt trời.

TS Motiar Rahaman, tác giả đầu tiên của báo cáo khoa học cho biết: “Chiếu ánh sáng mặt trời lên những chiếc lá nhân tạo và lấy nhiên liệu lỏng từ carbon dioxide và nước là một quá trình hóa học tuyệt vời. Thông thường, khi cố gắng chuyển đổi CO2 thành một sản phẩm hóa học khác bằng thiết bị lá nhân tạo, hầu như luôn nhận được khí carbon monoxide hoặc khí tổng hợp, nhưng ở đây, chúng tôi đã có thể sản xuất một loại nhiên liệu lỏng thực tế chỉ bằng phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời . Đó là một tiến bộ mang tính đột phá, mở ra những con đường hoàn toàn mới trong những nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi."

Hiện tại, thiết bị được chế tạo là một bằng chứng về tính khả thi của ý tưởng và chỉ cho hiệu quả khiêm tốn. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu hóa các bộ hấp thụ ánh sáng để thiết bị có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn, đồng thời tối ưu hóa chất xúc tác để có thể chuyển đổi nhiều ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hơn. Công việc tiếp theo cũng sẽ được yêu cầu tăng kích thước thiết bị nhằm tạo ra khối lượng lớn nhiên liệu.

GS Reisner nói: “Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm, nhưng chúng tôi đã chứng minh được khả năng của những lá nhân tạo này. Điều quan trọng là phải chứng minh rằng chúng ta có thể vượt ra những phân tử đơn giản nhất, tạo ra thiết bị hữu ích trực tiếp khi chuyển đổi nền kinh tế khỏi nhiên liệu hóa thạch".

Theo TechXplore

Thái Bằng