Phản ứng sử dụng năng lượng ánh sáng có thể giúp ngành sản xuất hóa chất tiết kiệm năng lượng hơn
Cây trồng hấp thụ ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide từ không khí thành carbohydrate hoặc đường. Nguồn: Wattcle, Nefronus/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Hóa chất và vật liệu sản xuất là cần thiết cho hầu như mọi khía cạnh của cuộc sống hàng ngày, từ dược phẩm cứu sinh đến nhựa, nhiên liệu và phân bón. Tuy nhiên, việc sản xuất các hóa chất quan trọng này lại tốn kém năng lượng.
Nhiều loại hóa chất công nghiệp này chủ yếu có nguồn gốc từ vật liệu gốc nhiên liệu hóa thạch. Các hợp chất này thường rất ổn định, khiến việc chuyển đổi chúng thành các sản phẩm hữu ích trở nên khó khăn nếu không áp dụng các điều kiện phản ứng khắc nghiệt và đòi hỏi nhiều năng lượng.
Do đó, việc chuyển đổi các vật liệu cứng đầu này góp phần đáng kể vào tổng mức sử dụng năng lượng của thế giới. Vào năm 2022, ngành công nghiệp tiêu thụ 37% tổng năng lượng của thế giới, trong đó ngành công nghiệp hóa chất chịu trách nhiệm cho khoảng 12% nhu cầu đó.
Các quy trình sản xuất hóa chất thông thường sử dụng nhiệt để tạo ra năng lượng cần thiết cho các phản ứng diễn ra ở nhiệt độ và áp suất cao. Một phương pháp sử dụng ánh sáng thay vì nhiệt có thể giảm nhu cầu năng lượng và cho phép các phản ứng diễn ra trong điều kiện nhẹ nhàng hơn—như ở nhiệt độ phòng thay vì nhiệt độ cực cao.
Ánh sáng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng dồi dào nhất nhưng chưa được sử dụng hết trên Trái đất. Trong tự nhiên, năng lượng này được thu thập thông qua quá trình quang hợp, trong đó thực vật chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học. Lấy cảm hứng từ quá trình này, nhóm các nhà hóa học của chúng tôi tại Trung tâm xúc tác quang khử oxy hóa bền vững, một trung tâm nghiên cứu do Quỹ khoa học quốc gia tài trợ, đã nghiên cứu một hệ thống sử dụng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho các phản ứng thường được sử dụng trong ngành sản xuất hóa chất. Chúng tôi đã công bố kết quả của mình trên tạp chí Science vào tháng 6 năm 2025.
Chúng tôi hy vọng rằng phương pháp này có thể cung cấp một lộ trình tiết kiệm hơn để tạo ra các hóa chất công nghiệp từ nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời, vì không phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc áp suất cực cao nên quá trình này an toàn hơn, ít có khả năng xảy ra tai nạn hơn.
Hệ thống của chúng tôi hoạt động như thế nào?
Hệ thống xúc tác quang khử oxy hóa mà nhóm chúng tôi phát triển được cung cấp năng lượng bởi đèn LED đơn giản và hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng.
Cốt lõi của hệ thống của chúng tôi là chất xúc tác quang khử oxy hóa hữu cơ: một phân tử chuyên biệt mà chúng tôi biết là có thể đẩy nhanh phản ứng hóa học khi tiếp xúc với ánh sáng mà không bị tiêu thụ trong quá trình này.
Giống như cách thực vật dựa vào sắc tố để thu thập ánh sáng mặt trời để quang hợp, chất xúc tác quang khử oxy hóa của chúng tôi hấp thụ nhiều hạt ánh sáng, được gọi là photon, theo trình tự.
Các photon này cung cấp các luồng năng lượng, chất xúc tác lưu trữ và sau đó sử dụng để khởi động các phản ứng. Việc thu thập "nhiều photon" này tạo ra đủ năng lượng để buộc các phân tử rất cứng đầu phải trải qua các phản ứng mà nếu không sẽ cần đến các kim loại có phản ứng cao. Khi phản ứng hoàn tất, chất xúc tác quang sẽ tự thiết lập lại, sẵn sàng thu thập thêm ánh sáng và duy trì quá trình mà không tạo ra thêm chất thải.
Việc thiết kế các phân tử có thể hấp thụ nhiều photon và phản ứng với các phân tử cứng đầu là rất khó. Một thách thức lớn là sau khi một phân tử hấp thụ một photon, nó chỉ có một khoảng thời gian rất nhỏ trước khi năng lượng đó biến mất hoặc bị mất. Thêm vào đó, việc đảm bảo phân tử sử dụng năng lượng đó theo đúng cách không hề dễ dàng. Tin tốt là chúng tôi đã phát hiện ra rằng chất xúc tác của mình có thể thực hiện điều này một cách hiệu quả ở nhiệt độ phòng.
Cho phép sản xuất hóa chất xanh hơn
Công trình của chúng tôi hướng đến tương lai nơi hóa chất được tạo ra bằng ánh sáng thay vì nhiệt. Ví dụ, chất xúc tác của chúng tôi có thể biến benzen—một thành phần đơn giản của dầu thô—thành một dạng gọi là cyclohexadiene. Đây là bước quan trọng trong việc tạo ra các khối xây dựng cho nylon. Cải thiện phần này của quy trình có thể làm giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất nylon.
Hãy tưởng tượng các nhà sản xuất sử dụng lò phản ứng LED hoặc thậm chí là ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất các hóa chất thiết yếu. Đèn LED vẫn sử dụng điện, nhưng chúng cần ít năng lượng hơn nhiều so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống được sử dụng trong sản xuất hóa chất. Khi chúng tôi mở rộng quy mô, chúng tôi cũng đang tìm ra cách khai thác trực tiếp ánh sáng mặt trời, giúp toàn bộ quy trình trở nên bền vững và tiết kiệm năng lượng hơn.
Hiện tại, chúng tôi đang sử dụng thành công chất xúc tác quang khử oxy hóa của mình trong các thí nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm—chỉ sản xuất miligam tại một thời điểm. Nhưng để chuyển sang sản xuất thương mại, chúng tôi cần chứng minh rằng các chất xúc tác này cũng có thể hoạt động hiệu quả ở quy mô lớn hơn nhiều, tạo ra hàng kilôgam hoặc thậm chí hàng tấn sản phẩm. Việc thử nghiệm chúng trong các phản ứng lớn hơn này sẽ đảm bảo rằng chúng đủ tin cậy và hiệu quả về mặt chi phí cho sản xuất hóa chất trong thế giới thực.
Tương tự như vậy, việc mở rộng quy mô quy trình này sẽ đòi hỏi các lò phản ứng quy mô lớn sử dụng ánh sáng hiệu quả. Việc xây dựng những lò phản ứng đó trước tiên sẽ yêu cầu thiết kế các loại lò phản ứng mới cho phép ánh sáng chiếu sâu hơn vào bên trong. Chúng sẽ cần phải trong suốt hơn hoặc được chế tạo khác đi để ánh sáng có thể dễ dàng đi đến mọi bộ phận của
hành động.
Nhóm của chúng tôi có kế hoạch tiếp tục phát triển các kỹ thuật mới sử dụng ánh sáng lấy cảm hứng từ hiệu quả của thiên nhiên. Ánh sáng mặt trời là nguồn tài nguyên dồi dào và bằng cách tìm ra những cách tốt hơn để khai thác nó, chúng tôi hy vọng sẽ giúp việc sản xuất các hóa chất và vật liệu mà cuộc sống hiện đại phụ thuộc vào trở nên dễ dàng và sạch hơn.
Thông tin tạp chí: Khoa học
Cung cấp bởi The Conversation
