Công nghệ tiên phong biến ánh sáng mặt trời và CO2 thành nhiên liệu tái tạo

Các nhà nghiên cứu đã khai thác sức mạnh của quang hợp để chuyển đổi CO 2 , nước và ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu đa carbon – ethanol và propanol – chỉ trong một bước. Những nhiên liệu này có mật độ năng lượng cao và có thể dễ dàng lưu trữ hoặc vận chuyển.

Không giống như nhiên liệu hóa thạch, những nhiên liệu năng lượng mặt trời này tạo ra lượng khí thải carbon ròng bằng không và hoàn toàn có thể tái tạo, và không giống như hầu hết ethanol sinh học, chúng không chuyển bất kỳ vùng đất nông nghiệp nào khỏi sản xuất lương thực.

Mặc dù công nghệ này vẫn ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết 'lá nhân tạo' của họ là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi khỏi nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch.

Ethanol sinh học được quảng cáo là một giải pháp thay thế sạch hơn cho xăng dầu, vì nó được sản xuất từ ​​thực vật thay vì 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). Hoa Kỳ là nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất thế giới: theo Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, gần 45% tổng số ngô trồng ở Hoa Kỳ được sử dụng để sản xuất ethanol.

Giáo sư Erwin Reisner, người đứng đầu nghiên cứu, lưu ý: “Nhiên liệu sinh học như ethanol là một công nghệ gây tranh cãi, đặc biệt là vì chúng chiếm đất nông nghiệp có thể được sử dụng để trồng lương thực.”

Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của Reisner, có trụ sở tại Khoa Hóa học Yusuf Hamied, đã phát triển các loại nhiên liệu bền vững, không carbon lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp - quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành thức ăn - sử dụng lá nhân tạo.

Cho đến nay, những chiếc lá nhân tạo này chỉ có thể tạo ra các hóa chất đơn giản, chẳng hạn 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 thiết thực hơn, nó cần có khả năng sản xuất trực tiếp các hóa chất phức tạp hơn trong một bước chạy bằng năng lượng mặt trời.

Giờ đây, lá nhân tạo có thể trực tiếp sản xuất ethanol và propanol sạch mà không cần qua bước trung gian là sản xuất khí tổng hợp.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác dựa trên đồng và palađi. Chất xúc tác đã được tối ưu hóa theo cách cho phép lá nhân tạo tạo ra các hóa chất phức tạp hơn, đặc biệt là rượu đa cacbon etanol và n-propanol. Cả hai loại rượu này đều là nhiên liệu có mật độ năng lượng cao, có thể dễ dàng vận chuyển và lưu trữ.

Các nhà khoa học khác đã có thể sản xuất các hóa chất tương tự bằng cách sử dụng năng lượng điện, nhưng đây là lần đầu tiên những hóa chất phức tạp như vậy được sản xuất bằng một chiếc lá nhân tạo chỉ sử dụng năng lượng từ Mặt trời.

Tiến sĩ Motiar Rahaman, tác giả đầu tiên của bài báo đã cung cấp thêm chi tiết, “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 bạn cố gắng chuyển đổi CO 2 thành một sản phẩm hóa học khác bằng thiết bị lá nhân tạo, bạn hầu như luôn nhận được 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 cách sử dụng năng lượng của Mặt trời. Đó là một tiến bộ thú vị mở ra những con đường hoàn toàn mới trong công việc của chúng tôi.”

Hiện tại, thiết bị này là một bằng chứng về khái niệm và chỉ cho thấy hiệu quả khiêm tốn. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để tối ưu hóa các bộ hấp thụ ánh sáng để chúng có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn và tối ưu hóa chất xúc tác để nó có thể chuyển đổi nhiều ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hơn. Công việc tiếp theo cũng sẽ được yêu cầu để làm cho thiết bị có thể mở rộng để nó có thể tạo ra khối lượng lớn nhiên liệu.

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

Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Ủy ban châu Âu Marie Skóodowska -Curie Fellowship, Cambridge Trust và Chương trình Winton về Vật lý bền vững. Erwin Reisner là Nghiên cứu sinh và Motiar Rahaman là Cộng tác viên Nghiên cứu của Đại học St John's, Cambridge.

Công nghệ lá nhân tạo là một loạt các ý tưởng sử dụng năng lượng mặt trời để thực hiện hoặc thúc đẩy các phản ứng. Chuyển từ carbon dioxide và nước thành nhiên liệu dường như là một ý tưởng tuyệt vời.

Có rất nhiều việc phải làm. Mặc dù việc lấy nước và CO2 ở gần nhau không khó, nhưng việc có được các điều kiện phù hợp có thể khó. Tỷ lệ, nhiệt độ, chất gây ô nhiễm, mức năng lượng đầu vào và các thông số sự cố khác đều phải được tính toán và sau đó sản xuất các loại lá có ý nghĩa kinh tế.

Nó rất có thể được thực hiện và nên được. Nhưng hàng trăm triệu năm trước, thiên nhiên đã tìm ra cách lưu trữ năng lượng bằng hydro kết nối với carbon cho các phân tử hữu ích. Hầu hết những tiến bộ lớn đã được thiết lập trong một thời gian rất dài. Cho đến nay tự nhiên đã không bật lên bất cứ điều gì tốt hơn. Điều đó có nghĩa là công nghệ này có thể là một trong những ý tưởng tốt nhất. Hãy hy vọng sự phát triển tiếp tục.

Hà Vi