Hệ thống quang hợp nhân tạo: dùng nano vàng để chuyển CO2 thành nhiên liệu lỏng

Các nhà khoa học đã tìm ra một phương pháp mới để thực hiện quá trình quang hợp nhân tạo, tạo ra các hydrocacbon cao năng bằng cách sử dụng các hạt nano vàng giàu electron làm chất xúc tác.

Niềm khát khao lấy cảm hứng từ thực vật

Trong quang hợp, thực vật chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành glucose bằng cách tái sắp xếp các phân tử nước và carbon dioxide (CO2). Phương pháp mới “bắt chước” quá trình tự nhiên đó thông qua các thao tác về hóa học để tạo ra nhiên liệu lỏng, mà không cần chất diệp lục.

“Mục tiêu ở đây là sản xuất các hydrocacbon phức tạp, có thể hóa lỏng từ CO2 và các tài nguyên bền vững khác như ánh sáng mặt trời”, nhà hóa học Prashant Jain từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign cho biết. “Nhiên liệu lỏng rất lý tưởng vì chúng dễ vận chuyển, an toàn hơn và có tính kinh tế hơn so với khí đốt.”

Lợi ích của việc thực hiện quang hợp nhân tạo ở quy mô lớn là khó kể siết, mang lại cho chúng ta một nguồn năng lượng sạch, tự duy trì, một ngày nào đó nó có thể cung cấp năng lượng cho gia đình và xe cộ, chỉ đơn giản bằng cách bắt chước những gì thực vật và các sinh vật khác.

Vì mong muốn đó, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang liên tục tìm cách khai thác năng lượng mặt trời như một nguồn nhiên liệu quang hợp không giới hạn, nhất là bởi vì nó cũng có thể trở thành một phương tiện giúp chúng ta tái sử dụng CO2 độc hại trong khí quyển.

Nghiên cứu mới của Jain dựa trên công trình trước đây mà anh đã chủ trì vào năm 2018 nghiên cứu việc sử dụng các hạt nano vàng để thay thế cho chất diệp lục – một sắc tố hoạt động như một chất xúc tác trong quá trình quang hợp tự nhiên, giúp thúc đẩy phản ứng hóa học.

Hình 1: Prashant Jain, bên trái và đồng tác giả, Sungju Yu. (Fred Zwicky)

“Các nhà khoa học thường tìm đến giới thực vật để có cái nhìn sâu sắc về các phương pháp biến ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước thành nhiên liệu”, Jain nói vào thời điểm đó. Trong các thí nghiệm đó, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các hạt vàng hình cầu nhỏ có kích thước chỉ nanomet có thể hấp thụ ánh sáng lục (thuộc vùng khả kiến) và truyền các electron cũng như proton được kích thích.

Giữa hiện thực hóa và thực tế hóa hệ thống quang hợp nhân tạo

Nghiên cứu mới tiến xa hơn với cùng một kỹ thuật ấy, chuyển CO2 thành các phân tử nhiên liệu hydrocarbon phức tạp – bao gồm propan và metan – được tổng hợp bằng cách kết hợp ánh sáng xanh với các hạt nano vàng trong môi trường lỏng chứa ion.

“Theo cách tiếp cận này, sự kích thích plasmonic của các hạt nano vàng tạo ra môi trường giàu điện tích ở mặt tiếp xúc giữa hạt nano/dung dịch dẫn đến sự hoạt hóa CO2,” các nhà nghiên cứu giải thích trong bài báo của họ, “trong khi một chất lỏng chứa ion giúp ổn định các chất trung gian tích điện hình thành ở mặt tiếp xúc này, tạo điều kiện cho quá trình khử nhiều bước và hình thành các liên kết carbon.”

Hình 2: Các hạt nano vàng cho mượn các electron để chuyển đổi các phân tử CO2 (màu đỏ và xám) thành các phân tử nhiên liệu hydrocarbon.

Ngoài propan và metan, phương pháp này cũng cho phép ethylene, acetylene và propene được tạo ra nhờ quang hợp – những phân tử với sự sắp xếp phức tạp mà một ngày nào đó có thể cho phép lưu trữ năng lượng trong pin nhiên liệu.

“Bởi vì chúng được tạo ra từ các phân tử chuỗi dài, nhiên liệu lỏng chứa nhiều liên kết hơn”, Jain nói, “có nghĩa là chúng mang năng lượng ở mật độ cao hơn.”

Tuy nhiên, cũng như các phương pháp khác được sử dụng để tiến hành quang hợp nhân tạo, tính thực tiễn của bước đột phá rốt cuộc sẽ chịu ảnh hưởng từ hiệu quả của nó – và khả năng của nó được thực hiện trong thế giới thực.

Trước đó, các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng họ cần tinh chỉnh lại khả năng của các hạt nano vàng để điều khiển các tương tác hóa học đồng thời nghiên cứu xem các ứng dụng tiềm năng sẽ thế nào trong tương lai khi phương pháp được đưa vào quy mô lớn hơn.

“Vẫn còn một chặng đường dài cần vượt qua”, Jain giải thích vào năm 2018. “Tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ cần ít nhất một thập kỷ để tìm ra các công nghệ tạo nhiên liệu dựa trên việc phân lập, cố định CO2, có tính thực tế và khả thi về mặt kinh tế.

Những phát hiện được báo cáo trên Nature Communications.

Tham khảo

1. Yu, S., & Jain, P. K. (2019). Plasmonic photosynthesis of C 1–C 3 hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid. Nature Communications, 10(1), 2022.

iceberg (biên tập)

Nguồn: tapchisinhhoc.com