Khai thác vi khuẩn và ánh sáng mặt trời: Con đường mang tính cách mạng tới năng lượng bền vững
Bởi ĐẠI HỌC ROCHESTER ngày 15 tháng 7 năm 2023
Hệ thống do các nhà nghiên cứu của Đại học Rochester tạo ra bắt chước quá trình quang hợp, sử dụng các tinh thể nano bán dẫn cho chất hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác cũng như vi khuẩn để tặng điện tử cho hệ thống. 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 (H2, các bong bóng). Tín dụng: Hình minh họa của Đại học Rochester / Michael Osadciw
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester đang khai thác sức mạnh của vi khuẩn và vật liệu nano để bắt chước quá trình quang hợp và sản xuất nhiên liệu hydro đốt sạch.
Khi nhu cầu toàn cầu về năng lượng sạch và bền vững tăng lên, các nhà khoa học đang lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp. Nhằm mục đích thiết kế các phương pháp sáng tạo, thân thiện với môi trường để tạo ra nhiên liệu hydro sạch, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Rochester đang khởi xướng một dự án mang tính cách mạng nhằm bắt chước quá trình quang hợp một cách nhân tạo, sử dụng vi khuẩn để truyền electron đến chất xúc tác quang bán dẫn tinh thể nano.
Trong một nghiên cứu được công bố gần đây trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, Kara Bren, Giáo sư Hóa học Richard S. Eisenberg tại Rochester và Todd Krauss, giáo sư hóa học, tiết lộ rằng vi khuẩn Shewanella oneidensis có thể đóng vai trò là nguyên nhân nguồn electron hữu hiệu và hiệu quả cho hệ thống quang hợp nhân tạo của chúng.
Bằng cách tận dụng các đặc tính độc đáo của các vi sinh vật này cùng với vật liệu nano, hệ thống này có khả năng thay thế các phương pháp hiện tại thu được hydro 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.
“Hydro chắc chắn là nhiên liệu được DOE quan tâm ngay bây giờ,” Bren nói. “Nếu chúng ta có thể tìm ra cách chiết xuất hydro từ nước một cách hiệu quả, điều này có thể dẫn đến mức tăng trưởng đáng kinh ngạc về năng lượng sạch.”
‘Một loại nhiên liệu lý tưởng’
Bren nói rằng hydro là “một loại nhiên liệu lý tưởng, bởi vì nó thân thiện với môi trường và là một chất thay thế không chứa carbon cho nhiên liệu hóa thạch”.
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước, khí tự nhiên và sinh khối. Không giống như nhiên liệu hóa thạch tạo ra khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác, khi hydro bị đốt cháy, sản phẩm phụ duy nhất là hơi nước. Nhiên liệu hydro cũng có mật độ năng lượng cao, có nghĩa là nó chứa rất nhiều năng lượng trên một đơn vị trọng lượng. Nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả pin nhiên liệu, và có thể được chế tạo ở cả quy mô nhỏ và lớn, khiến nó trở nên khả thi cho mọi thứ, từ sử dụng tại nhà đến sản xuất công nghiệp.
Những thách thức của việc sử dụng hydro
Bất chấp sự phong phú của hydro, hầu như không có hydro tinh khiết trên Trái đất; nó hầu như luôn liên kết với các nguyên tố khác, chẳng hạn như carbon hoặc oxy, trong các hợp chất như hydrocacbon và nước. Để sử dụng hydro làm nguồn nhiên liệu, nó phải được chiết xuất từ các hợp chất này.
Trong lịch sử, các nhà khoa học đã chiết xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch, hoặc gần đây hơn là từ nước. Để đạt được điều thứ hai, có một nỗ lực lớn để sử dụng quang hợp nhân tạo.
Trong quá trình quang hợp tự nhiên, thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời, thứ mà chúng sử dụng để cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học nhằm chuyển đổi carbon dioxide và nước thành glucose và oxy. Về bản chất, năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học cung cấp năng lượng cho sinh vật.
Tương tự, 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. Các hệ thống bắt chước quá trình quang hợp cần ba thành phần: chất hấp thụ ánh sáng, chất xúc tác để tạo ra nhiên liệu và nguồn điện tử. Các hệ thống này thường chìm trong nước và nguồn sáng cung cấp năng lượng cho bộ hấp thụ ánh sáng. Năng lượng cho phép chất xúc tác kết hợp các electron được cung cấp cùng với các proton từ nước xung quanh để tạo ra khí hydro.
Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống hiện tại đều dựa vào nhiên liệu hóa thạch trong quá trình sản xuất hoặc không có cách hiệu quả để chuyển điện tử.
Bren nói: “Cách sản xuất nhiên liệu hydro hiện nay đã biến nó thành nhiên liệu hóa thạch một cách hiệu quả. “Chúng tôi muốn thu được hydro từ nước trong phản ứng điều khiển bằng ánh sáng để chúng tôi có một loại nhiên liệu thực sự sạch—và làm như vậy theo cách mà chúng tôi không sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong quá trình này.”
Hệ thống độc đáo của Rochester
Nhóm của Krauss và nhóm của Bren đã làm việc trong khoảng một thập kỷ để phát triển 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.
Một thách thức mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt là tìm ra nguồn điện tử và chuyển điện tử một cách hiệu quả từ vật cho điện tử sang các tinh thể nano. Các hệ thống khác đã sử dụng axit ascorbic, thường được gọi là vitamin C, để cung cấp điện tử trở lại hệ thống. Mặc dù vitamin C có vẻ rẻ tiền, nhưng “bạn cần một nguồn điện tử gần như miễn phí hoặc
hệ thống của anh ta trở nên quá đắt,” Krauss nói.
Trong bài báo của mình, Krauss và Bren báo cáo về một loại vật chất cho điện tử khó có khả năng xảy ra: vi khuẩn. Họ 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 miễn phí nhưng hiệu quả để cung cấp điện tử cho hệ thống của họ.
Trong khi các phòng thí nghiệm khác đã kết hợp cấu trúc nano và vi khuẩn, thì “tất cả những nỗ lực đó là lấy điện tử từ các tinh thể nano và đưa chúng vào vi khuẩn, sau đó sử dụng bộ máy vi khuẩn để điều chế nhiên liệu,” Bren nói. “Theo những gì chúng tôi biết, trường hợp của chúng tôi là trường hợp đầu tiên đi ngược lại và sử dụng vi khuẩn làm nguồn điện tử cho chất xúc tác tinh thể nano.”
Khi vi khuẩn phát triển trong điều kiện yếm khí—điều kiện không có oxy—chúng hô hấp các chất của tế bào làm nhiên liệu, giải phóng các electron trong quá trình này. Shewanella oneidensis có thể lấy các electron do quá trình chuyển hóa bên trong của chính nó tạo ra và tặng chúng cho chất xúc tác bên ngoài.
Nhiên liệu của tương lai
Bren hình dung rằng, trong tương lai, các ngôi nhà riêng lẻ có thể có các thùng và bể chứa ngầm để khai thác năng lượng mặt trời nhằm 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. Bren lưu ý rằng hiện tại có xe lửa, xe buýt và ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro nhưng hầu như tất cả hydro có sẵn để cung cấp năng lượng cho các hệ thống này đều đến từ nhiên liệu hóa thạch.
Cô ấy nói: “Công nghệ đã có sẵn,” nhưng cho đến khi hydro được tạo ra từ nước trong một phản ứng điều khiển bằng ánh sáng—không sử dụng nhiên liệu hóa thạch—thì nó không thực sự giúp ích cho môi trường.”
Tham khảo: “Shewanella oneidensis MR-1 hô hấp chấm lượng tử CdSe cho quá trình tiến hóa hydro quang xúc tác” của Emily H. Edwards, Jana Jelušić, Ryan M. Kosko, Kevin P. McClelland, Soraya S. Ngarnim, Wesley Chiang, Sanela Lampa-Pastirk, Todd D. Krauss và Kara L. Bren, ngày 17 tháng 4 năm 2023, Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
DOI: 10.1073/pnas.2206975120
Nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
