Đột phá mới trong việc biến ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu

Quang hợp là quá trình thực vật sử dụng ánh nắng mặt trời tạo thành năng lượng. Sau khi cây hấp thụ nước, oxygen được tạo ra. Đây là một phản ứng rất quan trọng đối với hành tinh chúng ta, tạo ra hầu hết lượng oxygen trên Trái Đất.

Nghiên cứu này có thể tạo ra cuộc cách mạng trong việc xây dựng hệ thống sản xuất nguồn năng lượng tái tạo. Ảnh: Clicklancashire.

Một nghiên cứu bởi trường Đại học St John ở Anh đã sử dụng quang hợp bán nhân tạo để sản xuất và lưu trữ năng lượng mặt trời. Bằng các sản phẩm sinh học và công nghệ máy móc, họ đã thành công trong việc sử dụng ánh sáng tự nhiên để biến nước thành hydrogen và oxygen.

Nghiên cứu này có thể tạo ra cuộc cách mạng trong việc xây dựng hệ thống sản xuất nguồn năng lượng tái tạo mới. Trong một bài báo xuất bản trên Nature Energy, phòng thí nghiệm Reisner của trường ĐH Cambridge cũng đã phát triển một nền tảng tách nước mà không cần đến năng lượng mặt trời. Phương pháp này được đánh giá là hiệu quả hơn trong việc hấp thụ ánh sáng mặt trời so với quang hợp tự nhiên.

“Quang hợp tự nhiên không thật sự hiệu quả bởi nó phát triển chỉ để tồn tại. Ngoài ra, nó chỉ cần một lượng năng lượng tối thiểu cần thiết, tầm khoảng 1-2% so với tiềm năng chuyển hóa và lưu trữ của nó”, Katarzyna Sokół, nghiên cứu sinh trường Đại học St John cho biết.

Quang hợp nhân tạo đã xuất hiện cả thập kỉ nay, nhưng chưa thực sự thành công trong việc tạo ra nguồn năng lượng tái tạo bởi còn phụ thuộc vào các chất xúc tác, hầu hết lại thường đắt đỏ và độc hại. Vì thế nó chỉ mới có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm chứ chưa thể công nghiệp hóa.

Nghiên cứu từ Cambridge là phần nổi của tảng băng chìm trong lĩnh vực quang hợp bán nhân tạo. Nghiên cứu đặt mục tiêu phá vỡ giới hạn của quang hợp nhân tạo toàn phần bằng cách sử dụng enzym để tạo ra những phản ứng mong muốn.

Sokól và cộng sự không chỉ cải thiện được năng lượng sinh ra và giữ lại, mà còn kích hoạt lại quá trình quang hợp đó trong tảo biển đã ngủ yên cả thiên niên kỉ.

“Hydrogenase là một enzym có trong loại rong này. Nó có khả năng giảm proton xâm nhập vào Hidro. Xuyên suốt lịch sử tiến hóa, quá trình này đã ngừng hoạt động bởi không thật sự cần thiết cho việc sinh tồn. Nhưng chúng tôi đã thành công trong việc bỏ qua những phần không hoạt động để đạt được các phản ứng mong muốn, như việc tách nước thành hydrogen và oxygen”, Sokól giải thích.

Sokól hi vọng thành tựu này có thể phát triển những hệ thống mô hình đổi mới trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời.

“Thật thú vị khi chúng ta có thể lọc chọn quá trình cùng những phản ứng mong muốn nhưng tự nhiên lại không làm được. Đây là nền tảng tuyệt vời để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời. Hướng tiếp cận này có thể kết hợp nhiều phản ứng với nhau, sau đó xây dựng các công nghệ năng lượng mặt trời tổng hợp một cách mạnh mẽ hơn”, Sokól cho biết.

Thí nghiệm với cấu hình 2 điện cực cho thấy các tế bào quang điện có phản ứng với ánh sáng mặt trời nhân tạo. Ảnh: Katarzyna Sokół.

Đây là mô hình đầu tiên thành công trong việc sử dụng hydrogenase (Hidro enzym) và Photosystem II để tạo ra hệ thống quang hợp bán nhân tạo sử dụng năng lượng mặt trời thuần túy.

Tiến sĩ Erwin Reisner, trưởng phòng thí nghiệm Reisner, thành viên trường St John thuộc Đại học Cambridge, một trong những tác giả của bài báo mô tả nghiên cứu này là một “cột mốc” quan trọng.

Thành tựu này vượt qua nhiều thử thách, đặc biệt trong việc kết hợp những sản phẩm sinh học, organic thành các vật liệu không còn vô cơ. Từ đó tổ hợp lại thành những thiết bị bán nhân tạo, mở ra công cụ phát triển cho hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời trong tương lai.