Con người phát triển 'lá nhân tạo' để quang hợp tốt hơn cây xanh

Một nhóm nghiên cứu chung từ Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) gần đây đã phát triển một hệ thống xúc tác quang học nhân tạo ổn định, hiệu quả hơn quang hợp tự nhiên. Hệ thống mới được phát triển, tái tạo một lục lạp tự nhiên sử dụng ánh sáng rất hiệu quả. Điều đặc biệt là chúng có khả năng biến đổi carbon dioxide trong nước thành khí mê-tan - một loại nhiên liệu hữu ích. Điều này thể hiện một bước đột phá quan trọng với những đóng góp tiềm năng để đạt được trung hòa carbon.

Chúng ta đều biết quang hợp là cơ chế mà qua đó lục lạp trong thực vật và một số sinh vật sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide để tạo ra dinh dưỡng hoặc năng lượng. Trong vài thập niên qua, nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực tạo ra các quá trình quang hợp tổng hợp với mục tiêu chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu trung hòa carbon.

Giáo sư Ye Ruquan, Phó giáo sư khoa Hóa học tại CityU, một trong những người đứng đầu nghiên cứu chung, giải thích: “Tuy nhiên, rất khó để chuyển đổi carbon dioxide trong nước vì nhiều chất cảm quang hoặc chất xúc tác bị phân hủy trong nước. Mặc dù các chu trình xúc tác quang học nhân tạo đã được chứng minh là hoạt động với hiệu quả nội tại cao hơn, nhưng tính chọn lọc thấp và tính thiếu ổn định trong nước để khử carbon dioxide đã cản trở các ứng dụng thực tế của chúng”.

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm nghiên cứu chung từ CityU, Đại học Hồng Kông (HKU), Đại học Giang Tô và Viện Hóa học Hữu cơ Thượng Hải thuộc Viện Khoa học Trung Quốc đã khắc phục những khó khăn này bằng cách sử dụng phương pháp lắp ráp siêu phân tử để tạo ra một hệ thống quang hợp nhân tạo. Hệ thống dùng ý tưởng bắt chước cấu trúc tế bào sắc tố thu nhận ánh sáng của vi khuẩn tím (tức là tế bào chứa sắc tố) vốn rất hiệu quả trong việc truyền năng lượng từ mặt trời.

Cốt lõi của hệ thống quang hợp nhân tạo mới là dùng nanomicelle nhân tạo có độ ổn định cao. Đó là một loại polyme có thể tự lắp ráp trong nước, với phần đầu ưa nước và phân đuôi kỵ nước. Đầu ưa nước của nanomicelle hoạt động như một chất cảm quang để hấp thụ ánh sáng mặt trời và phần đuôi kỵ nước của nó hoạt động như một chất cảm ứng để tự lắp ráp.

Khi được đặt trong nước, các nanomicelles tự lắp ráp với nhau do liên kết hydro liên phân tử giữa các phân tử nước và đuôi kỵ nước của nanomicelle. Việc thêm chất xúc tác coban dẫn đến quá trình sản xuất hydro xúc tác quang học và giảm carbon dioxide, thúc đẩy việc sản xuất hydro và mê-tan.

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến và quang phổ cực nhạy, nhóm nghiên cứu đã tiết lộ các tính năng nguyên tử của chất cảm quang. Họ phát hiện ra rằng cấu trúc đặc biệt ở phần đầu ưa nước của nanomicelle, cùng với liên kết hydro giữa các phân tử nước và phần đuôi kỵ nước của nanomicelle, làm cho nó trở thành một chất cảm quang nhân tạo ổn định, tương thích với nước. Điều đó là chìa khóa giải quyết vấn đề không ổn định và không tương thích với nước thông thường của quá trình quang hợp nhân tạo. Tương tác tĩnh điện giữa chất cảm quang với chất xúc tác coban và hiệu ứng ăng-ten thu ánh sáng mạnh của nanomicelle đã cải thiện quá trình xúc tác quang học.

Trong thử nghiệm, nhóm đã phát hiện ra rằng tốc độ sản xuất khí mê-tan là hơn 13.000μmol h−1 g−1, với hiệu suất lượng tử là 5,6% trong 24 giờ. Nó cũng đạt được hiệu suất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu hiệu quả cao là 15%, vượt qua quá trình quang hợp tự nhiên.

Quan trọng nhất, hệ thống quang xúc tác nhân tạo mới này có hiệu quả kinh tế và bền vững, vì nó không phụ thuộc vào các kim loại quý đắt tiền. Giáo sư Ye cho biết: “Phương pháp đầy hứa hẹn trong việc tạo ra một hệ thống xúc tác quang học nhân tạo hiệu suất cao, được kiểm soát chính xác dựa trên các nguyên tố dồi dào, rẻ tiền trên Trái đất, như phức hợp porphyrin kẽm và coban”.

Giáo sư Ye tin rằng khám phá mới nhất sẽ mang lại lợi ích và truyền cảm hứng cho thiết kế hợp lý của các hệ thống xúc tác quang học trong tương lai để chuyển đổi và giảm thiểu carbon dioxide bằng năng lượng mặt trời, góp phần vào mục tiêu trung hòa carbon.