Giải mã quang hợp nhân tạo: Carbon nitride phân tách nước như thế nào (và tạo ra hydro xanh)
Nguồn: Talha Demir, MPICI
Các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách hiểu cơ chế chính xác đằng sau quá trình phân tách nước bằng chất xúc tác carbon nitride. Lần đầu tiên, Tiến sĩ Paolo Giusto và nhóm của ông đã ghi lại các tương tác từng bước tại giao diện giữa carbon nitride và nước, mô tả chi tiết quá trình truyền proton và electron từ nước sang chất xúc tác dưới ánh sáng.
Khám phá này đặt nền tảng quan trọng cho việc tối ưu hóa vật liệu xúc tác để sản xuất hydro như một giải pháp năng lượng tái tạo. Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Thực vật sử dụng ánh sáng để tạo ra nhiên liệu thông qua quá trình quang hợp—chuyển đổi năng lượng từ mặt trời thành các phân tử đường. Với quá trình quang hợp nhân tạo, các nhà khoa học bắt chước thiên nhiên và chuyển đổi ánh sáng thành các hóa chất năng lượng cao, nhằm theo đuổi nhiên liệu bền vững. Carbon nitride từ lâu đã được xác định là chất xúc tác hiệu quả trong cuộc tìm kiếm đang diễn ra này. Các hợp chất cacbon và nitơ này sử dụng ánh sáng để phân tách nước thành các thành phần cấu thành là oxy và hydro—với hydro đại diện cho một nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn.
Nhưng chính xác thì quá trình phân tách nước diễn ra như thế nào? Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã nắm bắt được từng bước của một trong những phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất nhưng lại ít được hiểu nhất trong thập kỷ qua. "Điều này vượt ra ngoài việc trả lời một câu hỏi lâu đời trong khoa học cơ bản", Tiến sĩ Paolo Giusto thuộc Viện nghiên cứu keo và giao diện Max Planck lập luận. "Việc tiết lộ tương tác giữa các phân tử nước và nitrua cacbon dưới ánh sáng cung cấp thông tin đầu vào thiết yếu để thúc đẩy năng lượng xanh".
Chìa khóa để giải quyết câu đố khoa học này nằm ở các quá trình phức tạp diễn ra khi nước bám vào bề mặt nitrua cacbon. Cho đến nay, các thang thời gian khác nhau của nhiều phản ứng liên quan đã khiến việc ghép lại với nhau một bức tranh đầy đủ trở nên khó khăn và các nhà khoa học đã dựa vào các phép tính lý thuyết và các thí nghiệm hồi cứu. Sử dụng các kỹ thuật quang phổ tiên tiến, Giusto và các đồng nghiệp đã bắt được nitrua cacbon khi đang hoạt động.
Điều kỳ diệu xảy ra ở giao diện—ranh giới nano giữa nitrua cacbon rắn và các phân tử nước lỏng. Carbon nitride chuyển mật độ electron sang nước, tạo thành một hệ thống lai. "Từ thời điểm này trở đi, nước và chất xúc tác hoạt động như một chất bán dẫn lai mới. Như thể chúng hợp lực trong một đội với các đặc tính khác biệt so với các nguyên tố riêng lẻ", Tiến sĩ Sonia Żółtowska cho biết.
Điều này kích hoạt thêm các phản ứng, vì quá trình chuyển các hạt tạo ra sự mất cân bằng. Trong trường hợp này, các liên kết hóa học của nước bắt đầu yếu đi. Khi carbon nitride hấp thụ ánh sáng, nó sử dụng năng lượng để làm mất ổn định các phân tử nước hơn nữa thông qua quá trình chuyển electron liên kết proton.
"Điều này có nghĩa là quá trình chuyển đồng thời một proton tích điện dương và một electron tích điện âm từ nước sang chất xúc tác", Tiến sĩ Daniel Cruz của Viện Fritz Haber giải thích. Hợp chất trung gian này là mảnh ghép còn thiếu của câu đố quang hợp nhân tạo: các nhà nghiên cứu đã ghi lại và phân tích theo thời gian thực cơ chế cuối cùng phân hủy nước thành oxy và hydro.
Phát hiện này chỉ ở cấp độ hóa học bề mặt nhưng mang ý nghĩa sâu sắc đối với việc thúc đẩy các giải pháp năng lượng bền vững. Trong khi việc sử dụng hydro trên diện rộng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch vẫn là mục tiêu trong tương lai, nghiên cứu này vạch ra lộ trình tinh chỉnh chất xúc tác và tiến gần hơn một bước tới việc sản xuất hydro hiệu quả từ quá trình phân tách nước.
