Những 'bông hoa' đồng nhỏ nở trên lá nhân tạo để sản xuất nhiên liệu sạch
của Đại học Cambridge
Những 'bông hoa nano' đồng nhỏ đã được gắn vào một chiếc lá nhân tạo để sản xuất nhiên liệu và hóa chất sạch, là xương sống của năng lượng và sản xuất hiện đại. Tín dụng: Virgil Andrei
Những 'bông hoa nano' đồng nhỏ đã được gắn vào một chiếc lá nhân tạo để sản xuất nhiên liệu và hóa chất sạch, là xương sống của năng lượng và sản xuất hiện đại.
Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge và Đại học California, Berkeley đã phát triển một phương pháp thực tế để tạo ra hydrocarbon—các phân tử được tạo thành từ carbon và hydro—chỉ sử dụng năng lượng từ mặt trời.
Thiết bị mà họ phát triển kết hợp một 'lá' hấp thụ ánh sáng được làm từ vật liệu tế bào quang điện hiệu suất cao gọi là perovskite, với chất xúc tác nanoflower đồng, để chuyển đổi carbon dioxide thành các phân tử hữu ích. Không giống như hầu hết các chất xúc tác kim loại, chỉ có thể chuyển đổi CO2 thành các phân tử carbon đơn, các bông hoa đồng cho phép hình thành các hydrocarbon phức tạp hơn với hai nguyên tử carbon, chẳng hạn như etan và etilen - các khối xây dựng chính cho nhiên liệu lỏng, hóa chất và nhựa.
Hầu như tất cả các hydrocarbon hiện nay đều bắt nguồn từ nhiên liệu hóa thạch, nhưng phương pháp do nhóm Cambridge-Berkeley phát triển tạo ra các hóa chất và nhiên liệu sạch được làm từ CO2, nước và glycerol - một hợp chất hữu cơ phổ biến - mà không phát thải thêm bất kỳ carbon nào. Kết quả được báo cáo trên tạp chí Nature Catalysis.
Nghiên cứu này dựa trên công trình trước đó của nhóm về lá nhân tạo, lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp: quá trình mà thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành thức ăn.
"Chúng tôi muốn vượt ra ngoài quá trình khử carbon dioxide cơ bản và sản xuất các hydrocarbon phức tạp hơn, nhưng điều đó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn đáng kể", Tiến sĩ Virgil Andrei từ Khoa Hóa học Yusuf Hamied của Cambridge, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Andrei, Nghiên cứu viên của Cao đẳng St John, Cambridge, đã thực hiện công trình này như một phần của chương trình Trao đổi Winton Cambridge-Kavli ENSI tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Peidong Yang tại Đại học California, Berkeley.
Bằng cách kết hợp chất hấp thụ ánh sáng perovskite với chất xúc tác nanoflower đồng, nhóm nghiên cứu đã có thể sản xuất ra các hydrocarbon phức tạp hơn. Để cải thiện hiệu quả hơn nữa và vượt qua giới hạn năng lượng của quá trình phân tách nước, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các điện cực nanowire silicon có thể oxy hóa glycerol thay thế. Nền tảng mới này sản xuất hydrocarbon hiệu quả hơn nhiều—tốt hơn 200 lần so với các hệ thống phân tách nước và carbon dioxide trước đây.
Phản ứng này không chỉ tăng hiệu suất khử CO2 mà còn tạo ra các hóa chất có giá trị cao như glycerate, lactate và formate, có ứng dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm và tổng hợp hóa học.
"Glycerol thường được coi là chất thải, nhưng ở đây nó đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tốc độ phản ứng", Andrei cho biết. "Điều này chứng minh rằng chúng tôi có thể áp dụng nền tảng của mình vào nhiều quy trình hóa học khác nhau, không chỉ dừng lại ở việc chuyển đổi chất thải. Bằng cách thiết kế cẩn thận diện tích bề mặt của chất xúc tác, chúng tôi có thể tác động đến các sản phẩm mà chúng tôi tạo ra, giúp quy trình trở nên có chọn lọc hơn".
Mặc dù độ chọn lọc CO2 thành hydrocarbon hiện tại vẫn ở mức khoảng 10%, nhưng các nhà nghiên cứu lạc quan về việc cải thiện thiết kế chất xúc tác để tăng hiệu quả.
Nhóm nghiên cứu hình dung việc áp dụng nền tảng của họ vào các phản ứng hữu cơ phức tạp hơn nữa, mở ra cánh cửa cho sự đổi mới trong sản xuất hóa chất bền vững. Với những cải tiến liên tục, nghiên cứu này có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế tuần hoàn, trung hòa carbon.
"Dự án này là một ví dụ tuyệt vời về cách các quan hệ đối tác nghiên cứu toàn cầu có thể dẫn đến những tiến bộ khoa học có tác động", Andrei cho biết. "Bằng cách kết hợp chuyên môn từ Cambridge và Berkeley, chúng tôi đã phát triển một hệ thống có thể định hình lại cách chúng ta sản xuất nhiên liệu và hóa chất có giá trị một cách bền vững".
