Khi nhu cầu của thế giới về các nguồn năng lượng sạch và bền vững vẫn tiếp tục, các nhà nghiên cứu đang chuyển sang sức mạnh của quang hợp để lấy cảm hứng. Trong một nỗ lực tương tự, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Rochester đang khởi động một dự án đột phá nhằm phát triển một hệ thống sử dụng vi khuẩn và vật liệu nano để mô phỏng quá trình quang hợp và sản xuất nhiên liệu hydro đốt sạch, thân thiện với môi trường.
Hệ thống chìm trong nước và được điều khiển bằng ánh sáng. Vi khuẩn (các thanh lớn) tương tác với các chất xúc tác hạt nano (các chấm nhỏ màu cam) để tạo ra khí hydro (các bong bóng). Tín dụng: Hình minh họa của Đại học Rochester / Michael Osadciw
Bằng cách tận dụng các đặc tính độc đáo của cả vi sinh vật và vật liệu nano, dự án có khả năng thay thế các phương pháp chiết xuất hydro hiện tại từ nhiên liệu hóa thạch, cách mạng hóa cách sản xuất nhiên liệu hydro và mở ra một nguồn năng lượng tái tạo mạnh mẽ .
Các nhà nghiên cứu đã từng chiết xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch hoặc từ nước. Để đạt được điều thứ hai, có một nỗ lực lớn để sử dụng quang hợp nhân tạo . Quang hợp nhân tạo là một quá trình chuyển đổi nguồn nguyên liệu dồi dào và ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hóa học, chẳng hạn như sản xuất khí hydro từ nước. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống hiện đang dựa vào nhiên liệu hóa thạch trong quá trình sản xuất hoặc không có cách hiệu quả để chuyển điện tử.
Các phòng thí nghiệm của Kara Bren và Todd Krauss tại Đại học Rochester đã thiết kế một hệ thống hiệu quả sử dụng quá trình quang hợp nhân tạo và sử dụng các tinh thể nano bán dẫn cho chất hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác.
Tinh thể nano bán dẫn là những tinh thể cực nhỏ làm bằng vật liệu bán dẫn. Do kích thước nhỏ của chúng, chúng có các thuộc tính độc đáo có thể dễ dàng điều chỉnh. Phòng thí nghiệm Krauss đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc tạo ra các chấm lượng tử hiệu quả cao, một loại tinh thể nano bán dẫn.
Một thách thức khác là tìm ra nguồn điện tử và chuyển điện tử một cách hiệu quả từ vật cho điện tử sang tinh thể nano. Để tìm hiểu, nhóm đã thử một số cấu hình khác nhau và phát hiện ra rằng Shewanella oneidensis, vi khuẩn đầu tiên được thu thập từ Hồ Oneida ở ngoại ô New York, cung cấp một cách hiệu quả nhưng miễn phí để cung cấp điện tử cho hệ thống của họ.
Khi vi khuẩn phát triển trong điều kiện kỵ khí (không có oxy), chúng hô hấp các chất tế bào làm nhiên liệu và giải phóng điện năng trong quá trình này. Shewanella oneidensis có thể hấp thụ các điện tử từ quá trình trao đổi chất của chính nó và tặng chúng cho chất xúc tác bên ngoài.
Anne S. Meyer, người có phòng thí nghiệm trước đây đã làm việc với Shewanella oneidensis để sản xuất vật liệu có đặc tính độc đáo, cho biết: “Kỹ thuật này thực sự hứa hẹn vì nó có thể tạo ra năng lượng hydro một cách hiệu quả trong khi chỉ dựa vào các nguồn điện tử và năng lượng bền vững.
Trong dự án này, phòng thí nghiệm của cô ấy đang nghiên cứu thiết kế và tạo ra các chủng Shewanella mới có khả năng chuyển điện tử nâng cao. Họ sẽ sử dụng các kỹ thuật in 3D tiên phong của mình để in vật liệu sống có thể kết hợp các chấm lượng tử.
Meyer cho biết : “Bằng cách kết hợp vi khuẩn Shewanella đã được thiết kế của chúng tôi cùng với chất xúc tác quang do phòng thí nghiệm Bren và Krauss phát triển, chúng tôi sẽ có thể tạo ra các vật liệu bền vững về mặt vật lý, tồn tại lâu dài giúp phản ứng sản xuất hydro nhanh hơn và hiệu quả hơn” .
Do hệ thống này quá phức tạp nên phòng thí nghiệm của Andrew White sẽ sử dụng máy học và trí tuệ nhân tạo để xác định những yếu tố và biến số nào có thể được cải thiện; ví dụ: dự đoán hình học in 3D nào có khả năng tạo ra nhiều hydro hơn. Mục tiêu cuối cùng là phát triển một hệ thống tốt hơn để sản xuất nhiên liệu hydro .
Bren hình dung ra một tương lai nơi các ngôi nhà riêng lẻ có khả năng có các thùng và bể ngầm để khai thác năng lượng mặt trời, đồng thời sản xuất và lưu trữ các lô hydro nhỏ, cho phép mọi người cung cấp năng lượng cho nhà và ô tô của họ bằng nhiên liệu đốt sạch, rẻ tiền.
