Bước tiến mới trong sản xuất năng lượng xanh từ quang hợp nhân tạo

Các nhà nghiên cứu hi vọng có thể ứng dụng cơ chế chuyển đổi carbon dioxide (CO2) thành các nhiên liệu tế bào ở các loài cây xanh và tảo để tạo ra nguồn vật liệu sạch giúp vận hành các thiết bị gia dụng và phương tiện giao thông. 

Một mẫu vật liệu ngói năng lượng mặt trời được tạo ra bởi sự lắng đọng lớp nguyên tử tại Phòng thí nghiệm Berkeley. Ảnh: Marilyn Sargent. 

Ý tưởng này hoàn toàn có tiềm năng tạo ra nguồn năng lượng tái tạo dồi dào từ dư lượng khí CO2 trong khí quyển.

Nhà khoa học Heinz Frei và các đồng nghiệp tại Ban Năng lượng thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, California đã phát triển một hệ thống quang hợp nhân tạo từ các ống nano, có khả năng thực hiện gần như tất cả các bước quan trọng trong quá trình quang hợp tự nhiên.

Trong bài nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh thiết kế của họ cho phép dòng proton tạo ra từ quá trình phân tách phân tử nước chảy nhanh từ không gian bên trong ống ra bên ngoài để kết hợp với CO2 và electron tạo thành nhiên liệu. Nhiên liệu được tạo ra hiện tại là carbon monoxide (CO), song nhóm nghiên cứu cũng đang cố gắng tạo ra methanol. Trong đó, dòng proton nhanh, yếu tố cần thiết cho quá trình tạo nhiên liệu, đã từng là thách thức rất lớn đối với các hệ thống quang hợp nhân tạo được nghiên cứu trước đây.

Hiện nhóm nghiên cứu cho biết, các ống nano của mình có thể thực hiện tất cả các nhiệm vụ riêng lẻ trong quá trình quang hợp và đã sẵn sàng để thử nghiệm trên hệ thống hoàn chỉnh. Đơn vị của hệ thống sẽ được quy ước là các "viên ngói nhiên liệu mặt trời" hình vuông nhỏ có độ dài cạnh là một vài inch, mỗi “viên” sẽ chứa hàng tỷ ống nano được kẹp giữa các lớp silicat mỏng, tương đối dẻo với miệng ống xuyên qua. Frei hy vọng rằng ngói năng lượng mặt trời này sẽ là sản phẩm đầu tiên giải quyết được những trở ngại lớn mà công nghệ quang hợp nhân tạo vẫn đang đối mặt.

Một trong những trở ngại đó là khả năng mở rộng. Nếu muốn ngưng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, con người cần có khả năng tạo ra mức năng lượng ở quy mô terawts - tương đương hàng nghìn tỷ wat. Đồng thời, con người cũng sẽ phải tạo ra nhiên liệu hydrocarbon lỏng để đền đáp một cách xứng đáng cho các khoản đầu tư vào cơ sở hạ tầng và công nghệ hiện có trị giá hàng nghìn tỷ đô la hiện nay.

Một hình ảnh soi các ống nano trên kính hiển vi (hình trên) và mô phỏng các lớp cấu thành các ống này (hình dưới). Nằm trong lớp silica là các "dây phân tử" được tạo thành từ các chuỗi hydrocarbon gắn với coban oxit ở bên trong và liên kết với lớp màng silica-titan dioxide ở đầu còn lại. Các dây này sẽ sản sinh điện tích từ các phân tử hấp thụ ánh sáng, xuyên qua màng silica-titan dioxide và đi tới các phân tử coban oxit và kích hoạt quá trình oxy hóa nước. Nguồn: Phòng thí nghiệm Berkley.

Mỗi ống nano nhỏ (đường kính khoảng 0,5 micromet), rỗng được cấu thành từ ba lớp: một lớp cobano xit bên trong, một lớp silica ở giữa và một lớp titan dioxide bên ngoài. Ở lớp bên trong, năng lượng từ ánh sáng mặt trời truyền đến coban oxit sẽ tách nước (dưới dạng không khí ẩm chảy bên trong mỗi ống), tạo ra các proton và oxy tự do.

Những proton này dễ dàng chảy qua lớp bên ngoài, nơi chúng kết hợp với CO2 để tạo thành CO ở hiện tại, và metanol trong tương lai. Quá trình kết hợp được kích hoạt nhờ một chất xúc tác sinh ra từ lớp titan dioxit. Sau cùng, nhiên liệu thành phẩm sẽ tụ lại ở khoảng trống giữa các ống và có thể dễ dàng thu thập.

Quan trọng là lớp giữa của thành ống giúp lưu giữ lượng oxy được tạo ra bên trong ống và ngăn không cho CO2 và các phân tử nhiên liệu bên ngoài thấm vào bên trong, giúp phân tách hai phản ứng hóa học không tương thích ở hai khu vực khác nhau. Thiết kế này mô phỏng chính xác các tế bào quang hợp sống, trong đó các phản ứng oxi hóa và phản ứng tiêu giảm cũng được phân tách khỏi các khoang màng hữu cơ bên trong lục lạp.

Nhờ vậy, các ống màng cho phép phản ứng quang hợp xảy ra giữa khoảng cách rất ngắn, giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng xảy ra khi các ion di chuyển, cũng như ngăn chặn các phản ứng hóa học ngoài ý muốn làm giảm hiệu quả của hệ thống.

Công trình này là một phần trong cam kết của Phòng thí nghiệm Berkeley nhằm đóng góp các giải pháp giúp đối mặt với các thách thức năng lượng toàn cầu do biến đổi khí hậu.

Theo: Khoa học & phát triển