Từ ánh nắng thành nhiên liệu: Giáo sư Ong Wee Jun dẫn dắt nỗ lực thúc đẩy quang hợp nhân tạo tại Malaysia

Một câu hỏi thời thơ ấu trở thành sứ mệnh năng lượng quốc gia

Khi học về quá trình quang hợp ở lớp 4, Ong Wee Jun từng đặt một câu hỏi giản dị: liệu con người có thể khai thác ánh nắng như thực vật để cung cấp năng lượng cho cuộc sống hiện đại không? Tính tò mò ấy đã trở thành sự nghiệp cả đời của ông. Nhà khoa học Malaysia hiện theo đuổi nguyên lý đó bằng các công cụ của khoa học nano và xúc tác, lưu trữ ánh nắng trong các liên kết của nhiên liệu sạch.

Giáo sư, Tiến sĩ Ong là Phó trưởng khoa tại Đại học Hạ Môn Malaysia, đồng thời là giám đốc sáng lập Trung tâm Xuất sắc về Công nghệ Năng lượng Nano và Xúc tác, gọi tắt là CONNECT. Ông cùng nhóm nghiên cứu thiết kế những chiếc lá nhân tạo mô phỏng các bước thiết yếu của quá trình quang hợp. Các thiết bị này dùng vật liệu nano được chế tạo chuyên biệt thay cho diệp lục để tạo ra các phân tử giàu năng lượng.

CONNECT nghiên cứu sản xuất hydro từ nước, chuyển đổi CO2 thành methanol và các hóa chất khác, cũng như biến rác thải nhựa thành nhiên liệu. Tầm nhìn dài hạn của trung tâm bao gồm các trang trại hydro sử dụng năng lượng mặt trời theo mô-đun, có thể cung cấp điện cho cộng đồng nông thôn, đưa khoa học tiên tiến vào phục vụ nhu cầu thường nhật.

Quang hợp nhân tạo thực sự hoạt động như thế nào

Quang hợp nhân tạo sử dụng vật liệu hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác để chuyển đổi ánh nắng thành năng lượng hóa học. Thiết bị hấp thụ photon, tạo ra các hạt tải điện linh động rồi dùng chúng để tách nước hoặc khử carbon dioxide. Sản phẩm đầu ra là nhiên liệu có thể lưu trữ, vận chuyển và sử dụng khi trời không có nắng.

Trong quá trình tách nước, một phản ứng giải phóng oxy, còn phản ứng kia tạo ra hydro. Chất bán dẫn cung cấp năng lượng, trong khi chất xúc tác hạ thấp rào cản của từng phản ứng. Hydro trở thành chất mang năng lượng cho pin nhiên liệu và là nguyên liệu đầu vào sạch để sản xuất amoniac, thép và phục vụ lọc dầu.

Chuyển CO2 thành nhiên liệu cũng áp dụng nguyên lý tương tự. Các chất xúc tác được thiết kế riêng định hướng electron để biến CO2 thành carbon monoxide, axit formic hoặc methanol. Thiết bị có thể là chất xúc tác quang dạng bột, pin quang điện hóa với điện cực hấp thụ ánh sáng hoặc hệ thống xúc tác điện dùng điện tái tạo. Mục tiêu vẫn là vận hành ổn định với hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

Từ đột phá trong phòng thí nghiệm đến dự án thực tế tại Malaysia

CONNECT đưa các khám phá vào ứng dụng thông qua hợp tác với doanh nghiệp và chính phủ. Tháng 8/2024, Đại học Hạ Môn Malaysia thông báo Giáo sư Ong nhận được khoản tài trợ Đối thoại Hợp tác Học thuật PETRONAS trị giá hơn 1 triệu RM. Dự án hướng đến sử dụng quang hợp nhân tạo chạy bằng năng lượng mặt trời để chuyển CO2 phát sinh từ quá trình đốt bỏ khí tại các trạm đầu mối khí đốt trên đất liền thành hóa chất có giá trị, trực tiếp xử lý một nguồn phát thải công nghiệp.

Chương trình PETRONAS chọn 61 dự án trong số 588 hồ sơ từ 25 trường đại học. Với CONNECT, khoản tài trợ củng cố danh mục nghiên cứu gồm một hệ thống thử nghiệm chuyển đổi ánh nắng thành hydro, dự kiến hoàn thành vào giữa năm 2026; các chất xúc tác được thiết kế để hạn chế khí nhà kính; và những quy trình biến phụ phẩm dầu cọ thành graphene và hydro xanh. Điểm chung của các nỗ lực này là đưa những chất xúc tác nano đầy triển vọng từ các thử nghiệm có kiểm soát trong phòng thí nghiệm vào thiết bị bền chắc, hoạt động ngoài trời.

Nguyên lý hoạt động của các chất xúc tác

Quang hợp nhân tạo dựa trên ba trụ cột: vật liệu hấp thụ ánh sáng, cấu trúc giúp giữ các điện tích tách biệt và các tâm xúc tác giúp phản ứng diễn ra nhanh, có tính chọn lọc. Nghiên cứu của CONNECT phát triển những trụ cột này bằng cách kết hợp vật liệu hai chiều, các mối nối được thiết kế thông minh và các tâm bề mặt làm từ nguyên tố phổ biến trong tự nhiên.

Vật liệu hai chiều và cấu trúc dị thể

Các vật liệu hai chiều, từ những tấm carbon tương tự graphene đến dichalcogenide kim loại chuyển tiếp, tạo ra những đường dẫn siêu mỏng cho điện tích. Xếp chồng một tấm vật liệu 2D lên tấm khác tạo nên bề mặt tiếp giáp rộng, nơi electron và lỗ trống được tách ra hiệu quả. Bằng cách chọn các cặp vật liệu có mức năng lượng vùng phù hợp với quá trình tách nước hoặc khử CO2, những cấu trúc dị thể 2D trên 2D này nâng cao hiệu suất mà không phụ thuộc vào các nguyên tố khan hiếm.

Dòng điện tích theo sơ đồ Z và sơ đồ S

Quang hợp tự nhiên sử dụng hai bước hấp thụ ánh sáng, thường được minh họa bằng hình chữ Z, để tạo ra các điện tích năng lượng cao. Thiết bị nhân tạo mô phỏng nguyên lý đó bằng các thiết kế theo sơ đồ Z và sơ đồ S. Hai bộ hấp thụ ánh sáng được nối với nhau sao cho chỉ những electron có khả năng khử mạnh nhất và lỗ trống có khả năng oxy hóa mạnh nhất được giữ lại, còn các hạt tải yếu hơn triệt tiêu lẫn nhau. Việc duy trì các điện tích hoạt động mạnh nhất giúp cải thiện những phản ứng khó và hạn chế các phản ứng phụ.

Carbide kim loại và vật liệu MXene

Carbide kim loại chuyển tiếp, bao gồm MXene, kết hợp độ dẫn điện cao với bề mặt có thể điều chỉnh. Chúng có thể đóng vai trò là vật liệu hấp thụ ánh sáng hoặc chất xúc tác phụ trợ, giúp đẩy nhanh các bước then chốt và định hướng tính chọn lọc. MXene được tạo ra bằng cách ăn mòn các tiền chất dạng lớp để tạo thành những tấm dẫn điện. Các nhóm chức trên bề mặt, phụ thuộc vào quy trình tổng hợp, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phân tử và vận chuyển điện tích, vốn là yếu tố then chốt để sản xuất nhiên liệu mặt trời ổn định, hiệu quả.

Biến chất thải thành giá trị nhờ ánh sáng và hóa học thông minh

Nhựa đem lại sự tiện lợi nhưng cũng tạo ra thách thức về rác thải. Các phương pháp nâng cấp giá trị nhựa bằng xúc tác quang và xúc tác điện xử lý vấn đề này bằng những phản ứng hóa học có định hướng. Dưới tác động của ánh sáng hoặc điện tái tạo, chất xúc tác có thể cắt các chuỗi polymer dài và biến chúng thành những phân tử hữu ích như formate, acetate, alcohol hoặc hydro. CONNECT cũng áp dụng cách tiếp cận này với phụ phẩm nông nghiệp. Ngành dầu cọ Malaysia tạo ra lượng chất thải giàu carbon có thể được nâng cấp thành graphene và hydro xanh. Nhóm cho biết đã có bằng sáng chế liên quan đến quy trình sản xuất graphene và hydro từ biomethane, cho thấy các dòng chất thải có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho vật liệu và năng lượng.

Sản xuất hydro từ nước, đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm ra thực địa

Sản xuất hydro bằng ánh nắng nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc tích hợp công nghệ này ngoài trời lại rất khó. Thiết bị phải thu ánh sáng hiệu quả, tách nước, giữ hydro và oxy riêng biệt, đồng thời chịu được nhiệt độ cao, mưa và bụi trong nhiều tháng. CONNECT đang chế tạo một nguyên mẫu lớn hơn để thử nghiệm trong điều kiện ngoài trời, với mục tiêu hoàn thành vào giữa năm 2026 một hệ thống chuyển đổi ánh nắng thành hydro kết hợp xúc tác quang và quang điện hóa.

Hai vấn đề thường chi phối quá trình mở rộng quy mô. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro cần tăng lên trong khi vật liệu vẫn phải có giá hợp lý. Nhiều chuyên gia coi mức 10% là ngưỡng thực tiễn, dù chi phí thay đổi tùy địa điểm. Độ bền là phép thử còn lại. Chất xúc tác có thể xuống cấp khi tiếp xúc với oxy và ánh sáng cường độ cao. Nước biển chứa thêm chloride, có thể gây ăn mòn và hình thành chlorine. Các nhóm nghiên cứu khắc phục vấn đề này bằng lớp bảo vệ, màng chọn lọc và điều kiện phản ứng ưu tiên tạo ra hydro và oxy.

Ý nghĩa đối với Malaysia và khu vực

Malaysia đặt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, đòi hỏi các loại nhiên liệu sạch mới và cách sử dụng carbon thông minh hơn. Quang hợp nhân tạo gắn liền với một số ưu tiên quốc gia. Hydro có thể hỗ trợ các nguồn năng lượng tái tạo và giảm phát thải trong công nghiệp. Chuyển CO2 từ quá trình đốt bỏ khí hoặc các dòng thải công nghệ thành nguyên liệu đầu vào giúp biến chất thải thành giá trị. Nâng cấp giá trị rác thải nhựa và sinh khối giúp giảm áp lực lên bãi chôn lấp và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu. Các hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu theo mô-đun có thể hỗ trợ trường học, phòng khám và doanh nghiệp nhỏ ở vùng sâu vùng xa, nơi việc mở rộng lưới điện còn chậm.

Hợp tác, nhân lực và công cụ số thúc đẩy tiến độ

CONNECT thúc đẩy nghiên cứu thông qua hợp tác với PETRONAS Research và các chương trình công nghệ quốc gia, đồng thời kết hợp chuyên môn trong hóa học, vật liệu, kỹ thuật và khoa học dữ liệu. Lý thuyết phiếm hàm mật độ và học máy giúp sàng lọc hàng nghìn chất xúc tác tiềm năng trước khi chế tạo một số ít trong phòng thí nghiệm, tiết kiệm thời gian và chi phí. Giáo sư Ong hướng dẫn một nhóm ngày càng đông các nghiên cứu sinh sau đại học và nghiên cứu viên sau tiến sĩ. Những ghi nhận như danh hiệu Nhà nghiên cứu được trích dẫn nhiều và danh sách 2% nhà khoa học hàng đầu thế giới nhấn mạnh tầm ảnh hưởng của ông, trong khi mục tiêu vẫn mang tính thực tiễn: tạo ra những thiết bị sản xuất nhiên liệu sạch đáng tin cậy trong điều kiện tại Malaysia.

Những thách thức còn lại

Quang hợp nhân tạo nhiều khả năng sẽ bổ trợ chứ không thay thế lượng hydro xanh ngày càng tăng được sản xuất bằng thiết bị điện phân. Để mở rộng quy mô, vẫn cần nâng cao hiệu suất, cải thiện độ bền, giảm chi phí các hệ thống phụ trợ và thiết kế quy trình xử lý khí an toàn. Các sản phẩm chuyển đổi CO2 thường tạo thành hỗn hợp cần được tách riêng. Nâng cấp giá trị nhựa đòi hỏi chất lượng nguyên liệu đầu vào ổn định và chất xúc tác có tính chọn lọc. Nguyên mẫu năm 2026 và dự án PETRONAS sẽ cung cấp dữ liệu thực địa để xác định công nghệ này phù hợp nhất ở đâu trong quá trình chuyển đổi năng lượng của đất nước.

Điểm chính

• Giáo sư, Tiến sĩ Ong Wee Jun lãnh đạo CONNECT tại Đại học Hạ Môn Malaysia, tập trung vào quang hợp nhân tạo và xúc tác nano.
• Nhóm của ông nghiên cứu sản xuất hydro từ nước, chuyển CO2 thành methanol và các sản phẩm khác, cũng như nâng cấp giá trị nhựa bằng xúc tác quang hoặc xúc tác điện.
• Khoản tài trợ hơn 1 triệu RM của PETRONAS (tháng 8/2024) hỗ trợ chuyển đổi CO2 từ quá trình đốt bỏ khí tại các trạm đầu mối khí đốt trên đất liền bằng năng lượng mặt trời.
• Hệ thống thử nghiệm chuyển đổi ánh nắng thành hydro dự kiến hoàn thành vào giữa năm 2026 để đánh giá hiệu suất ngoài trời tại Malaysia.
• Các công cụ nghiên cứu gồm cấu trúc dị thể hai chiều, dòng điện tích theo sơ đồ Z và carbide kim loại như MXene.
• Các dự án sản xuất hydro từ nước biển xử lý vấn đề ăn mòn do chloride và tính chọn lọc nhằm tránh hình thành chlorine.
• Hợp tác với doanh nghiệp cùng việc sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ và học máy giúp đẩy nhanh quá trình tìm kiếm chất xúc tác.
• Nghiên cứu phù hợp với mục tiêu phát thải ròng bằng 0 của Malaysia vào năm 2050 và có thể cải thiện khả năng tiếp cận năng lượng ở nông thôn.