Các nhà khoa học Trung Quốc mới đây cho biết đã phát triển một quy trình mới sử dụng năng lượng mặt trời để biến carbon dioxide và nước thành những hóa chất có giá trị, trong đó có các thành phần cơ bản của xăng.

Nhóm nghiên cứu đến từ Học viện Khoa học Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông cho biết họ đã tạo ra một loại vật liệu đặc biệt có khả năng lưu trữ điện tích nhỏ. Vật liệu này giúp tăng hiệu suất các phản ứng hóa học cần thiết để chuyển đổi CO₂ thành những hợp chất hữu ích.

Khi kết hợp vật liệu này với các chất xúc tác chuyên dụng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra carbon monoxide (CO) bằng năng lượng mặt trời. Đây là hợp chất trung gian quan trọng, có thể tiếp tục chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng, mang lại giải pháp tiềm năng cho những ngành khó điện hóa như hàng không và vận tải biển.

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học cho biết phương pháp của họ xây dựng một chiến lược “bể chứa điện tích lấy cảm hứng sinh học” để quang khử CO₂ hiệu quả.

Theo nhóm nghiên cứu, cách tiếp cận này có thể tạo ra một lộ trình phổ quát cho sản xuất nhiên liệu mặt trời, giúp thu hẹp khoảng cách giữa năng lượng tái tạo và nhu cầu năng lượng của các ngành công nghiệp.

Hiện nay, công nghệ quang xúc tác chuyển đổi CO₂ bằng ánh sáng đang thu hút sự quan tâm lớn, bởi nó vừa có thể giảm phát thải khí nhà kính, vừa tận dụng nguồn năng lượng mặt trời dồi dào.

Một trong những ứng dụng đáng chú ý là sản xuất “nhiên liệu mặt trời”. Đây là loại nhiên liệu tổng hợp có tính chất tương tự nhiên liệu hóa thạch truyền thống, nhưng được tạo ra từ ánh sáng mặt trời và CO₂. Nhờ đó, loại nhiên liệu này có thể sử dụng trực tiếp trong cơ sở hạ tầng hiện có mà không cần thay đổi toàn bộ hệ thống năng lượng.

Quy trình này thường bắt đầu bằng việc chuyển CO₂ thành các hóa chất trung gian như carbon monoxide, sau đó tiếp tục biến đổi thành hydrocacbon lỏng, mở ra con đường sản xuất nhiên liệu bền vững.

Một trong những thách thức lớn của sản xuất nhiên liệu mặt trời là thay thế những chất bị tiêu hao trong phản ứng (hay còn gọi là các tác nhân hy sinh) bằng nước. Điều này đòi hỏi phải kết hợp nhiều phản ứng hóa học phức tạp, như oxy hóa nước và khử CO₂.

Trong tự nhiên, thực vật thực hiện quá trình này với hiệu suất cao nhờ một phân tử có khả năng tạm thời lưu trữ electron sinh ra từ ánh sáng, giúp truyền năng lượng hiệu quả.

Lấy cảm hứng từ cơ chế này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống lưu trữ điện tích tương tự trong mô hình quang hợp nhân tạo. Họ chế tạo vật liệu vonfram trioxit biến tính bằng bạc, có thể tích trữ electron khi được chiếu sáng và giải phóng chúng khi cần.

Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu này đạt hiệu suất tương đương các hệ thống sử dụng tác nhân hy sinh hữu cơ, đồng thời có thể kết hợp với nhiều loại chất xúc tác khác nhau, mang lại tính ứng dụng rộng rãi.

Các thử nghiệm cho thấy ánh sáng mặt trời tự nhiên cũng có thể kích hoạt phản ứng, mở ra triển vọng ứng dụng thực tế trong sản xuất nhiên liệu mặt trời. Phương pháp mới không chỉ loại bỏ nhu cầu về các tác nhân hy sinh kém bền vững, mà còn cung cấp nguyên tắc thiết kế linh hoạt cho các hệ thống quang xúc tác độc lập, hiệu quả trong tương lai.