Các nhà khoa học ứng dụng quang hợp nhân tạo để biến carbon dioxide thành nhiên liệu bằng ánh sáng mặt trời

Mô phỏng tự nhiên để tạo năng lượng cho tương lai

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đạt bước tiến đáng kể trong công nghệ năng lượng sạch khi phát triển một hệ thống chuyển đổi carbon dioxide và nước thành các hợp chất hóa học có giá trị, chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời. Đột phá này, được công bố trên tạp chí bình duyệt Nature Communications, lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp, cơ chế tự nhiên mà thực vật dùng để tạo năng lượng từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon trong khí quyển.

Nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong đã tạo ra một vật liệu chuyên dụng có khả năng lưu trữ một lượng nhỏ năng lượng điện. Khả năng lưu trữ năng lượng này rất cần thiết để thúc đẩy các phản ứng hóa học biến carbon dioxide thành hợp chất hữu ích mà không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Khi kết hợp với các chất xúc tác hỗ trợ quá trình chuyển đổi carbon dioxide, hệ thống cho phép sản xuất carbon monoxide bằng năng lượng mặt trời. Hóa chất trung gian này sau đó có thể được xử lý tiếp thành nhiên liệu hydrocarbon lỏng, mở ra một hướng đi tiềm năng để cung cấp năng lượng cho những lĩnh vực khó điện khí hóa, trong đó có hàng không và vận tải biển.

Quang hợp nhân tạo hoạt động như thế nào

Quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu bằng ánh sáng mặt trời, được gọi là xúc tác quang hoặc quang hợp nhân tạo, từ lâu đã là mục tiêu của nghiên cứu năng lượng sạch. Quang hợp tự nhiên giúp thực vật lưu trữ năng lượng mặt trời trong các liên kết hóa học, tạo ra đường từ carbon dioxide và nước. Các nhà khoa học đã tìm cách tái tạo hiệu quả này trong phòng thí nghiệm để tạo ra những loại nhiên liệu thay thế bền vững, có thể thay thế các sản phẩm dầu mỏ.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc giải quyết một thách thức then chốt của quang hợp nhân tạo: nhu cầu kết nối đồng thời nhiều phản ứng hóa học phức tạp. Các hệ thống tự nhiên sử dụng những cơ chế sinh học tinh vi để tạm thời lưu trữ các electron được tạo ra nhờ ánh sáng, qua đó hỗ trợ truyền năng lượng hiệu quả giữa các giai đoạn phản ứng. Các nhà nghiên cứu mô phỏng chiến lược này bằng cách chế tạo vật liệu trioxide vonfram biến tính bạc, có chức năng như một kho dự trữ điện tích.

Trong bài báo công bố, nhóm nghiên cứu mô tả chiến lược đột phá của mình.

Nghiên cứu này thiết lập một chiến lược kho dự trữ điện tích lấy cảm hứng từ sinh học nhằm khử quang hóa carbon dioxide hiệu quả, đồng thời cung cấp một phương pháp phổ quát để sản xuất nhiên liệu mặt trời.

Vật liệu này lưu trữ electron khi tiếp xúc với ánh sáng và giải phóng chúng theo nhu cầu để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Hệ thống đạt hiệu quả tương đương các phương pháp sử dụng chất hi sinh hữu cơ, vốn thường không bền vững, đồng thời có thể ứng dụng rộng rãi khi kết hợp với nhiều loại chất xúc tác. Trong điều kiện ánh sáng mặt trời tự nhiên, vật liệu đã kích hoạt thành công các phản ứng chuyển đổi, cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng vào sản xuất nhiên liệu mặt trời thực tế mà không cần chiếu sáng nhân tạo hay nguồn điện bên ngoài.

Cạnh tranh toàn cầu ngày càng gay gắt

Đột phá của Trung Quốc diễn ra trong bối cảnh cạnh tranh quốc tế nhằm phát triển công nghệ nhiên liệu mặt trời khả thi ngày càng quyết liệt. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang theo đuổi những hướng tiếp cận song song để chuyển đổi carbon dioxide trong khí quyển thành chất mang năng lượng có thể sử dụng, với các chiến lược kỹ thuật và ứng dụng mục tiêu khác nhau. Những tiến bộ đồng thời này cho thấy công nghệ đang tiến gần đến khả năng thương mại hóa sau nhiều thập kỷ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Tại Thụy Sĩ, các nhà khoa học ở ETH Zurich, do Giáo sư Aldo Steinfeld dẫn đầu, đã phát triển một nhà máy công nghiệp chiết xuất trực tiếp carbon dioxide và nước từ không khí xung quanh. Sử dụng năng lượng mặt trời tập trung, cơ sở này phân tách các hợp chất để tạo ra khí tổng hợp, hỗn hợp gồm hydro và carbon monoxide, sau đó được xử lý thành dầu hỏa và methanol. Dầu hỏa mặt trời này chỉ thải ra lượng carbon dioxide tương đương lượng được hấp thụ trong quá trình sản xuất, qua đó đạt mức trung hòa carbon. Công nghệ đã phát triển đủ để triển khai thương mại; nguồn vốn cho một cơ sở sản xuất quy mô công nghiệp tại Đức đã được bảo đảm và cơ sở này dự kiến chứng minh tính khả thi kinh tế của quy trình.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản cũng phá kỷ lục hiệu suất trước đây bằng một phương pháp khác. Các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Tokyo và Đại học Hiroshima đã phát triển một chất xúc tác quang oxyhalide gốc chì mới, giúp tăng hoạt tính sản xuất hydro lên tới 60 lần so với các phương pháp thông thường. Vật liệu của họ đạt hiệu suất lượng tử kỷ lục khoảng 15% trong sản xuất hydro và 10% trong chuyển đổi carbon dioxide thành axit formic, một loại nhiên liệu lỏng. Giáo sư Kazuhiko Maeda, đồng chủ trì nghiên cứu, giải thích ý nghĩa của những cải tiến về cấu trúc.

Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát hình thái oxyhalide để khai mở toàn bộ tiềm năng của chúng với vai trò chất xúc tác quang.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã phát triển một lò phản ứng dòng chạy bằng năng lượng mặt trời, sử dụng các bộ lọc chuyên dụng để thu giữ carbon dioxide trực tiếp từ khí quyển. Thiết bị hấp thụ carbon dioxide vào ban đêm và chuyển đổi nó thành khí tổng hợp khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, hoạt động mà không cần nguồn điện bên ngoài, dây cáp hay pin. Một tấm gương tập trung ánh sáng mặt trời để thúc đẩy phản ứng hóa học, tạo ra một phương thức phi tập trung có thể cho phép sản xuất nhiên liệu ở những địa điểm xa xôi không kết nối với lưới điện.

Các nhà khoa học Ấn Độ cũng góp sức vào nỗ lực toàn cầu này. Giáo sư Indrajit Shown tại Viện Công nghệ và Khoa học Hindustan ở Chennai đã phát triển một vật liệu gốc kẽm và lưu huỳnh, có khả năng thu ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide thành acetaldehyde, một thành phần nhiên liệu. Hệ thống hoạt động hiệu quả hơn khoảng 200 lần so với các phương pháp trước đây, khi sử dụng ánh sáng mặt trời thông thường thay vì thiết bị chiếu sáng chuyên dụng. Giáo sư Shown nhấn mạnh mục tiêu thực tiễn của nghiên cứu.

Nghiên cứu này nhằm tìm ra những cách thiết thực để giúp hành tinh, chứ không chỉ thúc đẩy tiến bộ khoa học.

Tính chất quốc tế của những tiến bộ này cho thấy công nghệ nhiên liệu mặt trời đang trưởng thành thông qua nhiều hướng phát triển độc lập, làm tăng khả năng ít nhất một phương pháp sẽ thành công về mặt thương mại.

Hướng đến hàng không và vận tải biển

Các công nghệ này có thể được ứng dụng không chỉ trong giao thông thông thường mà còn ở những lĩnh vực đặc biệt khó điện khí hóa. Hàng không, vận tải biển và công nghiệp nặng phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hydrocarbon lỏng do mật độ năng lượng cao và khả năng tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có. Những lĩnh vực này cộng lại chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng lượng phát thải carbon dioxide toàn cầu, nhưng khó chuyển đổi sang công nghệ pin điện hoặc pin nhiên liệu hydro.

Hàng không đặt ra những trở ngại đặc biệt lớn đối với việc khử carbon. Máy bay cần nhiên liệu có mật độ năng lượng cực cao để duy trì trọng lượng và tầm bay hợp lý. Công nghệ pin hiện nay không thể cung cấp đủ năng lượng cho các chuyến bay đường dài nếu không tăng trọng lượng đến mức khiến hoạt động thương mại trở nên không khả thi. Ngành hàng không hiện tạo ra khoảng 3% lượng phát thải carbon dioxide do con người gây ra trên toàn cầu; tỷ lệ này được dự báo sẽ tăng khi số hành khách tiến tới 7,5 tỷ lượt mỗi năm vào năm 2035.

Nhiên liệu từ năng lượng mặt trời là một giải pháp đầy triển vọng vì có thể thay thế trực tiếp nhiên liệu hóa thạch thông thường. Dầu hỏa sản xuất từ carbon dioxide và ánh sáng mặt trời có thể vận hành động cơ máy bay hiện có mà không cần cải tiến, trong khi methanol có thể dùng làm nhiên liệu hàng hải hoặc nguyên liệu đầu vào cho sản xuất dược phẩm. Vì chỉ thải ra lượng carbon dioxide đã được thu giữ trong quá trình sản xuất, các nhiên liệu này tạo thành một chu trình carbon khép kín, tránh bổ sung khí nhà kính mới vào khí quyển và tận dụng cơ sở hạ tầng phân phối nhiên liệu hiện có.

Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế xác định nhiên liệu hàng không bền vững là yếu tố thiết yếu để đạt mục tiêu phát thải carbon dioxide ròng bằng không vào năm 2050. Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự báo các loại nhiên liệu này có thể đáp ứng 10% nhu cầu nhiên liệu hàng không vào năm 2030 và tăng lên gần 20% vào năm 2040. Tuy nhiên, hiện nhiên liệu bền vững chiếm chưa tới 0,1% tổng mức tiêu thụ, cho thấy cần mở rộng quy mô rất lớn để đạt được các mục tiêu này, ngay cả khi công nghệ đã chứng minh được hiệu quả trong phòng thí nghiệm và các dự án thí điểm.

Rào cản đối với triển khai thương mại

Dù đạt được những tiến bộ khoa học đáng kể, việc phổ biến rộng rãi công nghệ nhiên liệu mặt trời vẫn gặp nhiều trở ngại. Chi phí là rào cản chính đối với khả năng thương mại hóa. Các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ ước tính dầu hỏa mặt trời sản xuất ở quy mô lớn sẽ có giá từ 1,35 đến 2,20 USD mỗi lít. Mức giá này cho thấy đã có tiến triển hướng tới khả năng cạnh tranh với nhiên liệu phản lực thông thường, nhưng nhu cầu vốn đầu tư ban đầu lớn cho các nhà máy quy mô công nghiệp khiến việc triển khai phức tạp và tạo ra rủi ro cho những nhà đầu tư tiên phong.

Điều kiện địa lý cũng hạn chế tiềm năng sản xuất. Việc tạo nhiên liệu mặt trời cần nguồn nắng dồi dào, khiến các vùng sa mạc trở thành địa điểm tối ưu để xây dựng cơ sở. Tuy nhiên, vận chuyển nhiên liệu từ những vùng sa mạc xa xôi đến các đầu mối giao thông lớn đòi hỏi đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng và phối hợp hậu cần. Khác với nhiên liệu sinh học, vốn thường cạnh tranh đất nông nghiệp với sản xuất lương thực, nhiên liệu mặt trời có thể tận dụng các vùng sa mạc không thích hợp canh tác, giữ lại đất nông nghiệp quý giá cho cây trồng và vật nuôi, đồng thời khai thác những nơi có cường độ bức xạ mặt trời cao.

Các thách thức kỹ thuật vẫn còn trong việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi và độ bền của hệ thống. Dù những đột phá gần đây cải thiện đáng kể so với công nghệ trước đây, các hệ thống hiện nay vẫn chỉ chuyển đổi được một phần năng lượng mặt trời sẵn có thành các liên kết hóa học. Để so sánh, quang hợp tự nhiên đạt hiệu suất khoảng 1%, trong khi các thành tựu phòng thí nghiệm gần đây đạt 13% đến 15% ở một số bước phản ứng cụ thể, theo nghiên cứu đăng trên Science. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung phát triển chất xúc tác hiệu quả hơn, cải thiện cơ chế tách điện tích và tạo ra các hệ thống hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện thực tế, thay vì chỉ trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát với nhiệt độ và độ ẩm ổn định.

Hỗ trợ chính sách dường như có vai trò quan trọng trong việc thu hẹp khoảng cách giữa thành công trong phòng thí nghiệm và triển khai thương mại. Các nhà nghiên cứu đề xuất áp dụng hệ thống hạn ngạch, yêu cầu hãng hàng không sử dụng một tỷ lệ nhiên liệu nhất định từ các nguồn bền vững, qua đó tạo nhu cầu ổn định để thúc đẩy đầu tư vào cơ sở hạ tầng. Các khuôn khổ pháp lý như vậy có thể đẩy nhanh việc mở rộng quy mô và giảm chi phí nhờ tăng sản lượng, theo mô hình đã giúp giảm chi phí của các tấm quang điện mặt trời và tuabin gió trong hai thập kỷ qua.

Những điểm chính

• Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một hệ thống lấy cảm hứng từ thực vật, sử dụng trioxide vonfram biến tính bạc để chuyển đổi carbon dioxide và nước thành tiền chất nhiên liệu bằng ánh sáng mặt trời; nghiên cứu được công bố trên Nature Communications.
• Công nghệ sử dụng chiến lược kho dự trữ điện tích để lưu trữ năng lượng điện, thúc đẩy các phản ứng hóa học và loại bỏ nhu cầu dùng chất hi sinh không bền vững.
• Các nhóm nghiên cứu tại Thụy Sĩ, Nhật Bản, Vương quốc Anh và Ấn Độ đang theo đuổi những công nghệ nhiên liệu mặt trời tương tự bằng nhiều phương pháp và mức hiệu suất khác nhau.
• Nhiên liệu mặt trời có triển vọng đặc biệt trong việc khử carbon cho hàng không và vận tải biển, những lĩnh vực khó điện khí hóa do yêu cầu mật độ năng lượng cao.
• Ước tính hiện nay cho thấy dầu hỏa mặt trời có giá từ 1,35 đến 2,20 USD mỗi lít; sản xuất quy mô lớn đòi hỏi đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng.
• Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự báo nhiên liệu hàng không bền vững có thể đáp ứng 10% nhu cầu vào năm 2030 và 20% vào năm 2040 nếu vượt qua được những thách thức trong việc mở rộng quy mô.