Đại học Tokyo và Mitsubishi Chemical đã chứng minh sản xuất hydro tại một trong những nhà máy lớn nhất trên thế giới (thành phố Ishioka, tỉnh Ibaraki).
Hội nghị lần thứ 26 của các bên tham gia Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (COP26), được tổ chức tại Glasgow, miền bắc nước Anh, đã bế mạc vào ngày 13. Những nỗ lực của Nhật Bản để khử cacbon đã trở nên đáng chú ý, nhưng Nhật Bản có công nghệ khử cacbon hàng đầu thế giới. Đó là "quang hợp nhân tạo" bắt chước quá trình quang hợp của thực vật và tạo ra các chất hữu ích từ ánh sáng mặt trời, nước và khí cacbonic (CO2). Một số nghiên cứu đã bước vào giai đoạn đưa vào sử dụng thực tế, và nó có khả năng trở thành chủ đề đầu tư lớn trong tương lai.
"Có nhà máy sản xuất hydro lớn nhất thế giới"
Tôi đã nghe điều đó từ Giáo sư Kazunari Doun của Đại học Tokyo, người là nhà nghiên cứu hàng đầu về quang hợp nhân tạo, và đã đến thăm phòng thí nghiệm ngoài trời ở thành phố Ishioka, tỉnh Ibaraki. Cách ga gần nhất khoảng 20 phút đi xe, là nơi yên bình, nơi tiếng chim hót vang vọng. Trang web rộng lớn được xếp bằng 1600 tấm.
Bảng điều khiển có hình vuông 25 cm, chứa một tấm xúc tác quang và nước. Chất xúc tác quang hấp thụ ánh sáng và hoạt động hóa học do nó gây ra sẽ phân hủy nước mà nó tiếp xúc thành oxy và hydro. Nếu bạn nhìn kỹ, bảng điều khiển, có tổng diện tích tiếp nhận ánh sáng là 100 mét vuông, sủi bọt và tiếp tục tạo ra hydro và oxy.
Bằng cách chiếu ánh sáng vào bảng điều khiển, một loại khí hỗn hợp gồm oxy và hydro (bong bóng trong cốc) có thể được đưa ra ngoài (phòng thí nghiệm của Đại học Tokyo).
Quang hợp nhân tạo là một công nghệ sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiên liệu và các sản phẩm hóa học từ nước và CO2. Nó được chia thành giai đoạn đầu tiên là sản xuất hydro từ nước và giai đoạn thứ hai là sản xuất các chất hữu ích bằng cách sử dụng hydro và CO2 được tạo ra. Hiện nay, phương pháp chính để sản xuất hydro là tạo ra nó từ mêtan, nhưng cũng có một vấn đề là CO2 cũng được tạo ra. Quá trình tổng hợp nhân tạo không những không thải ra CO2 trong quá trình sản xuất hydro mà còn có thể được tiêu thụ làm nguyên liệu cho các sản phẩm hóa học.
Hợp tác với Đại học Tokyo, Mitsubishi Chemical và Fujifilm
Đại học Tokyo đã thành công trong thử nghiệm trình diễn lớn nhất thế giới về sản xuất và tách hydro ổn định trong khoảng một năm tại nhà máy phụ trách giai đoạn đầu tiên này. Điều này đã đạt được cùng với "Hiệp hội Nghiên cứu Công nghệ Quy trình Hóa học Quang hợp Nhân tạo", trong đó các công ty thuộc Tập đoàn Mitsubishi Chemical Holdings và Fujifilm Holdings (4901) tham gia.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, cho biết lượng hydro có thể được sản xuất bằng cách sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời, vẫn ở mức dưới 1% ngay cả vào những ngày có điều kiện nắng tốt. Điều này là do chất xúc tác quang được sử dụng chỉ có thể hấp thụ tia cực tím. Giáo sư Doen nói, "Chúng tôi sẽ phát triển một chất xúc tác quang có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy trong vòng vài năm, đạt được từ 5 đến 10% và hướng tới bắt đầu hoạt động của một nhà máy thương mại vào khoảng năm 2030".
Toyo Engineering và Đại học Toyama cũng thông báo rằng họ sẽ bắt đầu nghiên cứu chung vào tháng 6 về nghiên cứu sản xuất hydro bằng cách sử dụng chất xúc tác quang. Đại học Toyama đang nghiên cứu một công nghệ phân tán và phản ứng trong nước mà không cần cố định chất xúc tác quang. Nó có tác dụng đơn giản hóa cấu hình của thiết bị và giảm giá thành sản xuất.
Nó cũng có thể hấp thụ các tia hồng ngoại gần, khó hấp thụ với các chất xúc tác quang thông thường, vì vậy nó có thể được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Toyo Engineering có công nghệ tách hydro từ khí hỗn hợp hydro và oxy với độ tinh khiết cao, nhằm phát triển một hệ thống sản xuất và phân tách hydro với hiệu suất cao và chi phí thấp bằng cách kết hợp các công nghệ này.
Hệ thống Toyota là loại điện cực
Để có được hiệu suất chuyển đổi cao hơn chất xúc tác quang, cũng có một ví dụ về thử thách với phương pháp sử dụng điện cực. Toyota Central R & D Labs. (Thành phố Nagakute, tỉnh Aichi), một công ty nghiên cứu và phát triển của tập đoàn Toyota Motor Corporation (7203), đã thành công trong việc nâng nó lên mức cao nhất thế giới là 7,2%.
Thiết bị này bao gồm hai điện cực được kết nối với pin mặt trời trong nước có chứa CO2, và có kích thước 36 cm vuông. Các ion hydro được tạo ra gần các điện cực phản ứng với CO2 để tạo thành axit fomic. Axit fomic là nguyên liệu thô cho hóa chất, và vì nó là chất lỏng ở nhiệt độ phòng nên rất dễ xử lý, và nó dường như hữu ích cho việc lưu trữ và vận chuyển hydro ở dạng khí.
Khi Toyota Chuo Lab thử nghiệm thành công lần đầu tiên vào năm 2011, thiết bị có kích thước 1 cm vuông và hiệu suất chuyển đổi là 0,04%. Trong khi mở rộng đến quy mô thực tế, hiệu quả chuyển đổi cũng đã được cải thiện. Anh ấy đã bắt đầu nghiên cứu bằng cách sử dụng một thiết bị 1 mét vuông và nói, "Tôi muốn thiết lập một nền tảng công nghệ để sử dụng thực tế trong khoảng 30 năm" (Giám đốc Takashi Shimanzu của công ty).
Ngay cả từ góc độ toàn cầu, quá trình quang hợp nhân tạo của Nhật Bản có tính cạnh tranh cao. Bảng xếp hạng thế giới về các công ty và trường đại học được mong đợi trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo do Astamuse (Chiyoda, Tokyo), một công ty phân tích dữ liệu do Nikkei Inc. đầu tư, tổng hợp, dựa trên chất lượng của các bằng sáng chế và số năm quyền còn lại. Sau đó, Nhật Bản thống trị các vị trí từ 1 đến 5, với Todai ở vị trí đầu tiên và Fuji Film HD ở vị trí thứ 2.
Nhật Bản dẫn đầu nghiên cứu về quang hợp nhân tạo, nhưng gần đây, các công ty nước ngoài đã đạt được những tiến bộ vượt bậc. Đặc biệt đáng chú ý là kết quả của giai đoạn thứ hai sản xuất các chất hữu ích từ hydro và carbon dioxide (CO2).
Viện Công nghệ Sinh học Thiên Tân, Viện Khoa học Trung Quốc đã thành công trong việc sản xuất tinh bột từ hydro và CO2 lần đầu tiên trên thế giới. Thông qua 11 phản ứng hóa học, nó có thể được tổng hợp nhanh hơn 8,5 lần so với ngô. Nó đã được công bố trên tạp chí khoa học Science của Mỹ vào tháng 9.
Thế giới đã rất ngạc nhiên về thông báo này. Các nhà hóa học từ lâu đã lý tưởng hóa phản ứng của thực vật để tạo ra tinh bột, nhưng phản ứng này cực kỳ phức tạp và khó tái tạo nhân tạo. Cho đến nay, hầu hết các nỗ lực đều nhằm tạo ra các chất có cấu trúc đơn giản, chẳng hạn như axit fomic.
Các nỗ lực nâng cao cũng đang được tiến hành ở Châu Âu. Trong 20 năm, tập đoàn hóa chất khổng lồ của Đức Evonik Industries và Siemens Energy của Đức đã lắp đặt và bắt đầu vận hành một nhà máy trình diễn quang hợp nhân tạo quy mô lớn với chiều cao 8 mét và thể tích 2000 lít ở Đức. Sử dụng điện do ánh sáng mặt trời tạo ra, CO2 và nước được phân hủy thành carbon monoxide và hydro. Chúng được chuyển hóa thành nguyên liệu nhựa do tác động của vi sinh vật. Sản lượng hàng năm của nhà máy trình diễn được cho là đạt 10 tấn và chúng tôi đặt mục tiêu lắp đặt một nhà máy thương mại trong vòng 5 năm tới.
Hàn Quốc và Hoa Kỳ cũng đang tăng tốc nghiên cứu. Đặc biệt ở Mỹ có một số dự án quy mô lớn như Viện Công nghệ California và Đại học Bắc Carolina, năm 2020 Bộ Năng lượng công bố sẽ đầu tư 100 triệu đô la (khoảng 11,5 tỷ yên) vào nghiên cứu quang hợp nhân tạo trong năm năm.
Lịch sử nghiên cứu và phát triển quang hợp nhân tạo đã có từ lâu đời, và nó được khơi mào bởi việc phát hiện ra phản ứng quang xúc tác của ông Akira Fujishima, hiện là giáo sư danh dự của Đại học Khoa học Tokyo, cách đây hơn 50 năm. Từ lâu, nó đã được coi là một công nghệ đáng mơ ước, nhưng nó sắp trở thành hiện thực.
