Quang hợp: cơ chế cơ bản cho sự sống trên hành tinh này, tai họa của các sinh viên sinh học GCSE và bây giờ là một cách tiềm năng để chống lại biến đổi khí hậu. Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển một phương pháp nhân tạo mô phỏng cách thực vật sử dụng ánh sáng mặt trời để biến CO2 và nước thành thứ mà chúng ta có thể sử dụng làm nhiên liệu. Nếu nó hoạt động, đó sẽ là một kịch bản đôi bên cùng có lợi: chúng ta không chỉ được hưởng lợi từ năng lượng tái tạo được sản xuất theo cách này mà còn có thể trở thành một cách quan trọng để giảm mức CO2 trong khí quyển.
Tuy nhiên, thực vật đã mất hàng tỷ năm để phát triển quá trình quang hợp và không phải lúc nào cũng dễ dàng để tái tạo những gì diễn ra trong tự nhiên. Hiện tại, các bước cơ bản trong quá trình quang hợp nhân tạo hoạt động nhưng không hiệu quả lắm. Tin tốt là nghiên cứu trong lĩnh vực này đang tăng tốc và có nhiều nhóm trên khắp thế giới đang thực hiện các bước hướng tới việc khai thác quá trình tích hợp này.
Quang hợp hai bước
Quang hợp không chỉ là thu nhận ánh sáng mặt trời. Một con thằn lằn tắm dưới ánh nắng ấm áp có thể làm được điều đó. Quá trình quang hợp phát triển trong thực vật như một cách để thu nhận và lưu trữ năng lượng này (bit “ảnh”) và chuyển nó thành carbohydrate (bit “tổng hợp”). Thực vật sử dụng một loạt các protein và enzym được cung cấp bởi ánh sáng mặt trời để giải phóng các electron, do đó chúng được sử dụng để chuyển CO2 thành cacbohydrat phức tạp. Về cơ bản, quá trình quang hợp nhân tạo thực hiện theo các bước tương tự.
Phil De Luna, một nghiên cứu sinh tiến sĩ làm việc tại Khoa Điện và Máy tính tại Đại học Toronto. “Trong quá trình quang hợp nhân tạo, chúng tôi sử dụng các thiết bị và vật liệu vô cơ. Phần thu hoạch năng lượng mặt trời thực tế được thực hiện bởi các tế bào năng lượng mặt trời và phần chuyển đổi năng lượng được thực hiện bởi [các phản ứng điện hóa với sự có mặt của] chất xúc tác. ”
Điều thực sự hấp dẫn với quá trình này là khả năng sản xuất nhiên liệu để lưu trữ năng lượng lâu dài. Con số này nhiều hơn những gì mà các nguồn năng lượng tái tạo hiện tại có thể làm được, ngay cả với công nghệ pin mới nổi. Ví dụ: nếu mặt trời không tắt hoặc nếu đó không phải là một ngày có gió, thì các tấm pin mặt trời và trang trại gió chỉ cần ngừng sản xuất. De Luna cho biết: “Để bảo quản theo mùa kéo dài và lưu trữ trong các nhiên liệu phức tạp, chúng tôi cần một giải pháp tốt hơn. “Pin rất tốt cho ngày này qua ngày khác, cho điện thoại và thậm chí cho ô tô, nhưng chúng tôi sẽ không bao giờ chạy [Boeing] 747 bằng pin.”
Những thách thức cần giải quyết
Khi nói đến việc tạo ra pin mặt trời - bước đầu tiên trong quá trình quang hợp nhân tạo - chúng ta đã có sẵn công nghệ: hệ thống năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, các tấm pin quang điện hiện nay, mà điển hình là các hệ thống dựa trên chất bán dẫn, tương đối đắt tiền và kém hiệu quả so với tự nhiên. Một công nghệ mới là cần thiết; một trong đó lãng phí năng lượng ít hơn nhiều.
Gary Hastings và nhóm của ông từ Đại học Bang Georgia, Atlanta, có thể đã vấp phải điểm xuất phát khi xem xét quá trình ban đầu ở thực vật. Trong quá trình quang hợp, điểm quan trọng liên quan đến việc di chuyển các electron trên một khoảng cách nhất định trong tế bào. Nói một cách dễ hiểu, đó là chuyển động do ánh sáng mặt trời gây ra, sau này được chuyển hóa thành năng lượng. Hastings đã chỉ ra rằng quá trình này rất hiệu quả trong tự nhiên bởi vì những electron này không thể quay trở lại vị trí ban đầu của chúng: “Nếu electron quay trở lại nơi nó xuất phát, thì năng lượng mặt trời sẽ bị mất.” Mặc dù khả năng này hiếm gặp ở thực vật, nhưng nó lại xảy ra khá thường xuyên trong các tấm pin mặt trời, giải thích tại sao chúng hoạt động kém hiệu quả hơn so với thực tế.
Hastings tin rằng “nghiên cứu này có khả năng thúc đẩy các công nghệ pin mặt trời liên quan đến sản xuất hóa chất hoặc nhiên liệu”, nhưng ông nhanh chóng chỉ ra rằng đây chỉ là một ý tưởng vào lúc này và tiến bộ này khó có thể xảy ra sớm. “Về việc chế tạo công nghệ pin mặt trời hoàn toàn nhân tạo được thiết kế dựa trên những ý tưởng này, tôi tin rằng công nghệ này sẽ còn phát triển hơn nữa trong tương lai, có thể không phải trong vòng 5 năm tới ngay cả đối với một nguyên mẫu.”
Một vấn đề mà các nhà nghiên cứu tin rằng chúng ta sắp giải quyết được liên quan đến bước thứ hai trong quy trình: chuyển CO2 thành nhiên liệu. Vì phân tử này rất ổn định và cần một lượng năng lượng đáng kinh ngạc để phá vỡ nó, hệ thống nhân tạo sử dụng chất xúc tác để giảm năng lượng cần thiết và giúp tăng tốc phản ứng. Tuy nhiên, cách tiếp cận này mang lại một loạt vấn đề của riêng nó. Đã có nhiều nỗ lực trong hơn mười năm qua, với các chất xúc tác làm từ mangan, titan và coban, nhưng việc sử dụng kéo dài đã chứng tỏ bản thân có vấn đề. Lý thuyết này có vẻ tốt, nhưng chúng hoặc ngừng hoạt động sau vài giờ, trở nên không ổn định, làm chậm hoặc kích hoạt các phản ứng hóa học khác có thể làm hỏng tế bào.
Nhưng sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu Canada và Trung Quốc dường như đã trúng số độc đắc. Họ đã tìm ra cách kết hợp niken, sắt, coban và phốt pho để hoạt động ở độ pH trung tính, giúp vận hành hệ thống dễ dàng hơn đáng kể. Bo Zhang, từ Khoa Khoa học Cao phân tử tại Đại học Phúc Đán, Trung Quốc. Với khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành hóa học 64% ấn tượng, nhóm nghiên cứu hiện đang giữ kỷ lục về hiệu suất cao nhất cho các hệ thống quang hợp nhân tạo.
"Vấn đề lớn nhất với những gì chúng tôi có bây giờ là quy mô"
Với những nỗ lực của họ, nhóm đã lọt vào bán kết trong NRG COSIA Carbon XPRIZE, giải đấu có thể giúp họ giành được 20 triệu đô la cho nghiên cứu của họ. Mục đích là “phát triển các công nghệ đột phá giúp chuyển đổi khí thải CO2 từ các nhà máy điện và cơ sở công nghiệp thành các sản phẩm có giá trị” và với các hệ thống quang hợp nhân tạo được cải tiến, chúng sẽ có cơ hội tốt.
Thách thức tiếp theo là mở rộng quy mô. “Vấn đề lớn nhất với những gì chúng tôi có lúc này là quy mô. Khi chúng tôi mở rộng quy mô, chúng tôi sẽ đánh mất hiệu quả, ”De Luna, người cũng tham gia nghiên cứu của Zhang cho biết. May mắn thay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa hết danh sách các cải tiến của họ và hiện đang cố gắng làm cho chất xúc tác hiệu quả hơn thông qua các thành phần khác nhau và cấu hình khác nhau.
Chiến thắng trên hai mặt trận
Chắc chắn vẫn còn chỗ để cải thiện trong cả ngắn hạn và dài hạn, nhưng nhiều người cảm thấy quang hợp nghệ thuật có tiềm năng trở thành một công cụ quan trọng như một công nghệ sạch và bền vững cho tương lai.
“Điều đó cực kỳ thú vị bởi vì lĩnh vực này đang di chuyển rất nhanh. Về mặt thương mại hóa, chúng tôi đang ở điểm đến đỉnh điểm, ”De Luna nói và nói thêm rằng, liệu nó có hoạt động hay không“ sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, bao gồm chính sách công và việc ngành công nghiệp chấp nhận công nghệ năng lượng tái tạo . ”
Sau đó, hiểu đúng khoa học thực sự chỉ là bước đầu tiên. Sau nghiên cứu của những người như Hastings và Zhang, sẽ có một động thái quan trọng là hấp thụ quang hợp nhân tạo vào chiến lược toàn cầu của chúng tôi về năng lượng tái tạo. Những cái cọc rất cao. Nếu nó vượt qua được, chúng ta sẽ chiến thắng trên hai mặt - không chỉ sản xuất nhiên liệu và các sản phẩm hóa học, mà còn giảm lượng khí thải carbon của chúng ta trong quá trình này.