Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, hợp tác với một số đối tác học thuật, đã công bố những tiến bộ đáng kể trong quá trình quang hợp nhân tạo, chứng minh khả năng chuyển đổi CO₂ thành các hydrocarbon có giá trị như etan và etilen.
Nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Nature Catalysis đã nêu bật một hệ thống mới sử dụng đồng cấu trúc nano và vật liệu perovskite để mô phỏng khả năng thu nhận ánh sáng của chất diệp lục, sắc tố xanh thúc đẩy quá trình quang hợp ở thực vật. Phương pháp tiếp cận sáng tạo này không chỉ đại diện cho một bước tiến đáng kể trong nghiên cứu năng lượng mà còn phù hợp với các mục tiêu bền vững rộng hơn bằng cách chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời, CO₂ và nước.
Hệ thống mới tích hợp vật liệu perovskite, được công nhận về hiệu quả trong các ứng dụng quang điện, với chất xúc tác điện đồng “nanoflower” độc đáo. Thiết kế này lấy cảm hứng từ các enzyme tự nhiên tạo điều kiện cho quá trình quang hợp, do đó tăng cường chức năng của thiết bị. Không giống như chất xúc tác kim loại truyền thống, thiết kế của đồng cho phép tổng hợp các hydrocacbon phức tạp hơn với hai nguyên tử carbon, cần thiết để sản xuất nhiều loại nhiên liệu và hóa chất. Bước đột phá này mở rộng phạm vi sản xuất năng lượng sạch, mở đường cho việc tạo ra các vật liệu thân thiện với môi trường mà không phát thải thêm carbon.
Nghiên cứu này là một thành phần quan trọng của Liên minh Năng lượng Mặt trời Lỏng (LiSA) , một sáng kiến hợp tác do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thành lập. LiSA hướng đến việc thúc đẩy những tiến bộ trong nhiên liệu mặt trời thông qua nghiên cứu liên ngành, quy tụ hơn 100 nhà khoa học từ nhiều tổ chức khác nhau, bao gồm Viện Công nghệ California và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia. Tập trung vào việc tích hợp các mô hình lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm thời gian thực, LiSA hướng đến mục tiêu đẩy nhanh tiến độ phát triển công nghệ nhiên liệu mặt trời. Kể từ khi thành lập vào năm 2020, LiSA đã cho phép cải thiện hiệu suất thiết bị và độ bền vật liệu, những yếu tố quan trọng cho khả năng mở rộng quy mô của các hệ thống tiên tiến này.
Peidong Yang (bên phải) và Jia-An Lin, một nhà nghiên cứu sau đại học, đã sử dụng chất hấp thụ quang perovskite chì halide, mô phỏng chất diệp lục hấp thụ ánh sáng của lá cây, và chất xúc tác điện hóa làm từ đồng có hình dạng giống những bông hoa nhỏ. (Ảnh: Marilyn Sargent/Phòng thí nghiệm Berkeley)
Peidong Yang, một nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Berkeley và là đồng tác giả của nghiên cứu, nhấn mạnh rằng trong khi những nỗ lực trước đây trong quá trình quang hợp nhân tạo thường dựa vào vật liệu sinh học, thì việc đưa đồng vào sẽ tăng cường độ bền và tính ổn định của hệ thống. Nhóm của Yang hiện đang tập trung vào việc tăng hiệu quả của công nghệ lá nhân tạo này và mở rộng kích thước của nó, điều này sẽ đóng vai trò then chốt trong việc mở rộng hệ thống thành các ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu này không chỉ đưa các nhà khoa học đến gần hơn với việc tái tạo năng suất tự nhiên của lá mà còn mở ra những con đường mới để phát triển các phương pháp sản xuất hóa chất bền vững. Những phát hiện này không chỉ là một bước tiến tới việc sử dụng carbon hiệu quả mà còn biểu thị một tương lai tiềm năng, nơi sản xuất năng lượng và trách nhiệm với môi trường song hành, giải quyết nhu cầu năng lượng toàn cầu trong khi giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
