Các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu tái tạo quá trình quang hợp để tạo ra khí mê-tan từ ánh sáng mặt trời, nước và CO2. Sự đổi mới này đánh dấu một bước quan trọng hướng tới sản xuất nhiên liệu bền vững và giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo.
Các tấm pin mặt trời, khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện, đang ngày càng trở nên phổ biến. Trong khi con người vẫn đang thành thạo việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu thì thực vật từ lâu đã hoàn thiện việc này thông qua quá trình quang hợp. Gần đây, các nhà nghiên cứu báo cáo trên ACS Engineering Au đã tái tạo quy trình tự nhiên này để tạo ra khí mê-tan, một loại nhiên liệu năng lượng cao, từ carbon dioxide (CO 2), nước và ánh sáng mặt trời. Hệ thống nguyên mẫu cải tiến của họ có thể giúp mở đường cho việc thay thế nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo.
Tiềm năng của khí mê-tan như một nguồn năng lượng tái tạo
Mặc dù khí mê-tan là một loại khí nhà kính mạnh nhưng nó cũng là loại nhiên liệu giàu năng lượng và là thành phần chính của khí tự nhiên. Nhiên liệu hóa thạch, bao gồm cả khí đốt tự nhiên, phải mất hàng triệu năm để hình thành và việc khai thác chúng từ môi trường có thể gây ra những tác động bất lợi. Việc tìm kiếm các phương pháp sản xuất khí mê-tan từ các nguồn năng lượng tái tạo có thể giúp giảm nhu cầu về nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo theo thời gian.
Mảng tế bào chuyên biệt này có thể giúp sản xuất nhiên liệu bền vững hơn bằng cách sử dụng quá trình quang hợp nhân tạo. Nguồn: Chuyển thể từ ACS Engineering Au, 2023, DOI: 10.1021/acsengineeringau.3c00034
Một nguồn năng lượng bền vững, dồi dào cung cấp cho Trái đất hàng ngày chính là mặt trời. Con người đã thử khai thác nguồn tài nguyên này bằng các tấm pin mặt trời, nhưng thực vật đã phát hiện ra điều đó, sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp và chuyển đổi CO2 và nước thành oxy và đường để sử dụng làm nhiên liệu sau này.
Trước đây, Kazunari Domen và các đồng nghiệp đã phát triển một hệ thống sử dụng ánh sáng mặt trời để tách nước thành khí hydro và khí oxy. Giờ đây, họ muốn phát triển quy trình này để bắt chước hoàn toàn quá trình quang hợp, sử dụng CO2 để lưu trữ năng lượng mặt trời trong khí mê-tan, trong khi vẫn sử dụng chi phí- vật liệu hiệu quả và dễ dàng mở rộng.
Phát triển nguyên mẫu để sản xuất khí mê-tan
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một tập hợp các tế bào phản ứng, tương tự như các tấm pin mặt trời, mỗi tế bào được phủ một lớp strontium titanate pha tạp nhôm (SrTiO3) chất xúc tác quang học giúp cung cấp năng lượng cho phản ứng. Những tế bào được phủ này được đổ đầy nước và đặt dưới ánh nắng mặt trời. Trong những điều kiện đó, nước tách thành khí hydro và khí oxy, được tách ra và khí hydro tinh khiết được đưa vào phần thứ hai của hệ thống. Trong buồng thứ hai, khí hydro phản ứng với CO2, tạo thành khí metan và nước, sau đó nước được tái chế trở lại bước đầu tiên bằng lò phản ứng quang học.< /span>
Tiếp theo, họ tạo ra một mảng tế bào rộng 130 foot vuông – có kích thước bằng một phòng ngủ nhỏ – hoạt động liên tục trong ba ngày trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau. Mặc dù đầy hứa hẹn nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng hiệu quả của hệ thống quang hợp nhân tạo cần được cải thiện trước khi các thiết bị này có thể trở thành lựa chọn khả thi để sản xuất điện quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu cho biết hệ thống chứng minh khái niệm này có thể được điều chỉnh để giúp sản xuất tiền chất cho nhựa hoặc các nguyên liệu hóa học khác, cũng như mở rộng quy mô để sản xuất lượng lớn nhiên liệu sinh học bền vững.
Tài liệu tham khảo: “Sản xuất khí mê-tan bằng quá trình tách nước quang xúc tác bằng ánh sáng mặt trời và quá trình biến chất cacbon điôxit như một phương tiện quang hợp nhân tạo” của Taro Yamada, Hiroshi Nishiyama, Hiroki Akatsuka, Shinji Nishimae, Yoshiro Ishii, Takashi Hisatomi và Kazunari Domen , ngày 25 tháng 9 năm 2023, ACS Engineering Au.
DOI: 10.1021/acsengineeringau.3c00034
Các tác giả thừa nhận sự tài trợ từ Hiệp hội nghiên cứu công nghệ Nhật Bản về quy trình hóa học quang hợp nhân tạo và Hội đồng đổi mới châu Âu. Một số tác giả là nhân viên của INPEX Corporation, một công ty thăm dò và khai thác dầu khí.
