Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã phát triển một thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để mô phỏng quá trình quang hợp, biến CO₂, ánh sáng mặt trời và nước thành nhiên liệu và hợp chất hóa học giá trị cao. Công bố trên tạp chí Joule, phát hiện được đánh giá là bước tiến quan trọng hướng tới sản xuất hóa chất bền vững, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Thiết bị được mô tả như một “lá bán nhân tạo”, kết hợp polymer hữu cơ hấp thụ ánh sáng với enzyme vi khuẩn để tạo formate – một nhiên liệu sạch và tiền chất cho nhiều phản ứng hóa học. Khác với các phiên bản trước, mô hình mới không sử dụng vật liệu độc hại, không cần nguồn điện ngoài và có thể vận hành liên tục.
Trong thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi CO₂ thành formate bằng ánh sáng mặt trời, rồi dùng trực tiếp chất này để tổng hợp một hợp chất dược phẩm với hiệu suất và độ tinh khiết cao. Thiết bị cũng đạt hiệu suất chuyển electron gần như tuyệt đối và hoạt động ổn định hơn 24 giờ, gấp đôi các thiết kế trước đó.
Giáo sư Erwin Reisner, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết công nghệ này có tiềm năng “phi hóa thạch hóa” ngành hóa chất – lĩnh vực chiếm khoảng 6% lượng phát thải CO₂ toàn cầu. “Nếu chúng ta muốn xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn và bền vững, ngành hóa chất là bài toán lớn cần giải,” ông nói. “Đây là cơ hội để tạo ra nhiên liệu và hóa chất xanh quy mô lớn.”
Nhóm nghiên cứu cũng giải quyết được thách thức lớn về độ ổn định enzyme bằng cách tích hợp enzyme carbonic anhydrase vào vật liệu titan oxide xốp, giúp hệ thống hoạt động trong dung dịch bicarbonate đơn giản mà không cần chất phụ trợ dễ phân hủy.
Theo các nhà khoa học, việc kết hợp chất bán dẫn hữu cơ với enzyme vi khuẩn tạo ra nền tảng mới cho lá nhân tạo không độc hại, có thể điều chỉnh vật liệu và đạt hiệu suất cao. Nhóm sẽ tiếp tục cải thiện tuổi thọ thiết bị và mở rộng khả năng tạo ra nhiều loại hóa chất khác nhau từ CO₂.
Tấm cực âm quang hữu cơ bán nhân tạo đang hoạt động. Ảnh: Celine Yeung
