Quang hợp nhân tạo: Công nghệ biến ánh nắng và không khí thành nhiên liệu

Mỗi ngày, Mặt trời gửi đến Trái đất một lượng năng lượng khổng lồ, nhưng việc khai thác và lưu trữ năng lượng ấy vẫn là thách thức lớn. Trong khi pin mặt trời chuyển ánh sáng thành điện năng, các nhà khoa học đang theo đuổi một ý tưởng khác: mô phỏng quá trình quang hợp để trực tiếp tạo ra nhiên liệu từ ánh sáng, nước và carbon dioxide (CO₂).

Công nghệ này được gọi là quang hợp nhân tạo (artificial photosynthesis). Khác với quang hợp tự nhiên, vốn sử dụng hệ thống phân tử phức tạp trong thực vật, quang hợp nhân tạo có thể dựa vào vật liệu bán dẫn, chất xúc tác và những hệ thống điện hóa được thiết kế trong phòng thí nghiệm.

Ảnh: spectrum.ieee.org

Trong một hệ thống điển hình, vật liệu hấp thụ ánh sáng sẽ giải phóng các electron mang năng lượng cao. Những electron này được điều hướng để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Một hướng nghiên cứu tập trung vào việc tách nước thành hydro và oxy. Hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu công nghiệp.

Hướng thứ hai tham vọng hơn: sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển CO₂ thành các hợp chất chứa carbon như carbon monoxide, methanol hoặc những hóa chất hữu ích khác. Nếu nguồn CO₂ được thu hồi từ khí thải hay không khí, đồng thời quá trình vận hành sử dụng năng lượng sạch, công nghệ này có tiềm năng góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Điều đáng chú ý là các nhà khoa học không nhất thiết phải sao chép nguyên vẹn một chiếc lá. Họ có thể kết hợp những vật liệu vô cơ, phân tử xúc tác và thành phần sinh học để tạo ra một hệ thống thực hiện từng nhiệm vụ riêng biệt. Năm 2017, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ công bố một cấu trúc nhân tạo kết hợp màng sinh học tổng hợp với vật liệu bán dẫn để tạo hydro dưới ánh sáng. Đây là ví dụ cho thấy những nguyên lý của sự sống có thể truyền cảm hứng cho các hệ thống hoàn toàn mới.

Tuy nhiên, từ một thí nghiệm thành công đến một công nghệ thương mại vẫn là khoảng cách lớn. Vật liệu hấp thụ ánh sáng có thể bị ăn mòn; các electron có thể tái kết hợp trước khi tạo ra phản ứng mong muốn; chất xúc tác đôi khi cần kim loại đắt tiền. Hệ thống cũng phải đạt hiệu suất đủ cao, hoạt động ổn định trong thời gian dài và sản xuất nhiên liệu với chi phí cạnh tranh.

Ảnh: lancasterarmoury.co.uk

Nếu vượt qua được những rào cản đó, quang hợp nhân tạo có thể mở ra cách lưu trữ năng lượng Mặt trời dưới dạng hóa chất. Thay vì chỉ sản xuất điện khi có nắng, con người có thể tạo ra hydro hoặc nhiên liệu lỏng để vận chuyển, lưu trữ và sử dụng khi cần thiết.

Giấc mơ về một chiếc lá nhân tạo vì thế không chỉ là chuyện bắt chước thiên nhiên. Đó còn là nỗ lực biến nguồn năng lượng vô tận từ Mặt trời thành những dạng năng lượng mà nền văn minh công nghiệp có thể sử dụng. Biết đâu, trong tương lai, những nhà máy nhiên liệu sẽ vận hành theo một nguyên lý đã tồn tại trên Trái đất hàng tỷ năm: thu ánh sáng, hấp thụ nguyên liệu đơn giản và dùng năng lượng ấy để xây dựng nên những phân tử giàu năng lượng.

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước.