Sơ đồ tổng quan hệ thống quang hợp nhân tạo của Panasonic
Panasonic vừa phát triển thành công một hệ thống quang hợp nhân tạo giúp chuyển hóa carbon dioxide (CO2) thành các hợp chất hữu cơ nhờ ánh sáng mặt trời với hiệu suất lên tới tới 0,2%, hiệu suất sử dụng lớn nhất mà công nghệ đạt được ở thời điểm hiện tại. Con số trên có thể được so sánh với khả năng quang hợp tuyệt vời của các loại cây dùng để chế tạo nhiên liệu sinh học. Điểm cốt lõi của hệ thống nằm ở việc sử dụng vật liệu nitơ bán dẫn (nitride semiconductor). Nhờ đó hệ thống của công ty Nhật Bản trở nên đơn giản và làm việc hiệu quả hơn nhiều. Công trình của các nhà khoa học tại đất nước mặt trời mọc sẽ là nền tảng cơ bản để xây dựng các hệ thống thu và chuyển hóa lượng CO2 thải ra từ các lò đốt, nhà máy điện hoặc từ các hoạt động công nghiệp.
Như chúng ta đã biết, CO2 là một trong những nhân tố cơ bản gây ra hiệu ứng nhà kính và nhân loại đang đi đến những nỗ lực toàn cầu như nghị định thư Kyoto để giảm thiểu lượng khí này thải vào bầu khí quyển. Lượng khí cabonic cũng được cho là phát sinh chủ yếu từ quá trình đốt cháy các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và đây cũng một vấn đề làm đau đầu các nhà quản lý. Do đó, các nghiên cứu phát triển các hệ quang hợp nhân tạo nhằm chuyển một phần CO2 thành hợp chất hữu cơ bên cạnh hệ quang hợp tự nhiên có thể là phương án tốt để giải quyết những vẫn đề nêu trên.
Trong nghiên cứu trước đây, hệ thống quang hợp nhân tạo có cấu trúc rất phức tạp: đó có thể là các hệ phức chất hữu cơ hoặc hệ các điện cực có khả năng hấp thụ ánh sáng (photoelectrode). Tuy nhiên cả hai hướng phát triển đó đều chỉ cho ra đời các sản phẩm có hiệu năng sử dụng năng lượng ánh sáng thấp. Ngược lại cấu trúc đơn giản trong thiết kế của Panasonic cho phép hệ thống của hãng có thể chuyển hóa CO2 với hiệu năng cao bằng cách sử dụng trực tiếp năng lượng từ ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo.
Theo nhóm nghiên cứu, ban đầu họ quan tâm tới vật liêu bán dẫn nitơ do nó có khả năng kích thích các electron lên một mức năng lượng đủ lớn để chuẩn bị cho phản ứng khử CO2. Trong thời gian gần đây các bán dẫn loại này đặc biết được chú ý vì khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong các hệ chuyển hóa quang học hiệu năng cao và các thiết bị phát điện để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, tiềm năng thực sự của loại vật liệu mới chỉ được mở rộng khi chúng được gắn với các thiết bị chứa chất lỏng và khí. Cụ thể, trong trường hợp này chúng được dùng để tạo ra các điện cực cho các tế bào quang điện trong phản ứng khử CO2.
Trong hình vẽ ở trên, quá trình khử CO2 sẽ xảy ra ở bình đựng xúc tác kim loại đối diện với bình đựng chứa các điện cực quang điện bán dẫn làm từ hợp chất nitơ. Chất xúc tác kim loại được sử dụng có vai trò quan trọng trong việc chọn lọc và tăng tốc phản ứng khử. Các nhà khoa học nhấn mạnh hệ thống của họ chỉ bao gồm các vật liệu vô cơ nên nó sẽ giúp thúc đẩy quá trình khử CO2 diễn ra nhanh chóng, đồng thời cũng làm giảm năng lượng tiêu thụ và hao phí khi hoạt động. Do đó, lượng sản phẩm sinh ra sau phản ứng sẽ tăng tỉ lệ thuận với lượng ánh sáng được chiếu vào. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống vật liệu vô cơ trong khi các thiết bị truyền thống không thể đạt được do cấu trúc phức tạp của chúng.
Hình ảnh thực tế của hệ thống (bên trái: bán dẫn nitride, bên phải: các chất xúc tác kim loại). Màu sắc trong bình bên phải thay đổi từ vàng sang xanh chứng tỏ lượng CO2 đang trong quá trình bị khử.
Panasonic cho biết với nhiên liệu đầu vào là nước và khí cacbonic và nguồn sáng thích hợp, sản phẩm mà hệ thống của họ tạo ra sẽ chủ yếu là axit formic với hiệu suất lên tới 0,2%. Đây là một hóa chất quan trọng trong công nghiệp nhuộm màu và tạo mùi. Do tốc độ phản ứng hoàn toàn tỉ lệ thuận với lượng ánh sáng chiếu vào và phần năng lượng bị tiêu hao ít nên hệ thống này có thể có thể hoạt động cực tốt khi được chiếu một chùm sáng hội tụ. Điều này cung cấp cho nó khả năng tuyệt vời trong việc hấp thu và chuyển hóa lượng carbon dioxide dư thừa từ các lò đốt công nghiệp và các nhà máy điện.
Với nghiên cứu mới, Panasonic đã đạt 18 bằng sáng chế trong nước và 11 bằng quốc tế (bao gồm cả các hồ sơ đang được xét duyệt).
Công trình đã công ty Nhật Bản trình bày tại hội nghị quốc tế lần thứ 19 về Chuyển hóa và Lưu trữ năng lượng mặt trời được tổ chức tại Pasadena, USA ngày 30/7/2012.
Nguồn: Panasonic