Mùa xuân cho lá nhân tạo

Quá trình chuyển đổi các photon thành nhiên liệu đang tiến triển.

Giáo sư Daniel Nocera kết hợp lá nhân tạo với một vi khuẩn có khả năng chuyển hóa hydro. Nguồn: thespinoff.co.nz

Một buổi sớm mùa xuân ở Pasadena, California, bầu không khí tràn ngập mùi cỏ và hoa. Quá trình quang hợp của cỏ cây tại hai bên con đường nhỏ ở Viện Công nghệ California (Caltech) thật dễ dàng: chúng lặng lẽ chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành năng lượng để lưu trữ đường, nuôi lá, rễ và thúc đẩy quá trình tăng trưởng của các tế bào.

Bên trong PTN Jorgensen của Caltech, hơn 80 nhà nghiên cứu đang nỗ lực lặp lại các công việc đó của lá cây bằng việc dùng silicon, nickel, sắt và các loại vật liệu thường thấy trong sản xuất điện thoại di động hơn là tế bào thực vật. Các phòng thí nghiệm mới của họ là trụ sở của Trung tâm Liên hợp Quang năng nhân tạo (JCAP), một chương trình nghiên cứu gồm 190 thành viên do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đầu tư với khoản kinh phí 116 triệu USD trong vòng 5 năm. Mục tiêu của Trung tâm này là dùng ánh sáng mặt trời để tạo ra hydro và các loại nhiên liệu khác hiệu quả hơn so với cách người ta vẫn áp dụng là xử lý thực vật để tạo ra năng lượng sinh khối.

Các quỹ, các tổ chức trên thế giới – và ít nhất là một số công ty tư nhân – đang đầu tư những khoản chưa từng thấy vào việc tìm ra nhiên liệu có khả năng tạo ra điện từ mặt trời, không chỉ không phát thải carbon mà còn có tiềm năng trữ lượng vô tận. JCAP được thành lập vào năm 2010 để tập trung vào những vấn đề cụ thể như nghiên cứu cơ bản và ứng dụng và kỹ thuật để tạo ra một chiếc lá nhân tạo. Dẫu cho JCAP đã có được những bước đi quan trọng trong tiến trình này nhưng vẫn còn một con đường dài để đạt được mục tiêu này, “đây là vấn đề đầy thách thức và khó khăn”, nhà điện hóa John Turner của PTN Năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ ở Golden, Colorado, cho biết. “Khả năng thu hồi vốn rất lớn nhưng cũng không đơn giản để có được nó, chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu trong lĩnh vực này 40 năm rồi mà vẫn chưa thực sự đạt được mục tiêu như mong muốn”.

Tuy nhiên, nguồn đầu tư dồi dào thể hiện sự quan tâm rất lớn từ nhiều phía và đó cũng là lý do để nhiều nhà nghiên cứu hi vọng cho một thành công mang tính dài hạn. “Nếu anh có thể giữ được những nỗ lực như thế này trong vòng 10 năm nữa thì anh có thể có được một giải pháp thiết thực”, Michael Wasielewski, nhà hóa học ở trường Đại học Northwestern tại Evanston, Illinois, nhận định.

Bắt lấy tia mặt trời

Ý tưởng quang hợp nhân tạo có từ năm 1912 nhưng mãi đến năm 1972 thì mới có sự tiến triển khi các nhà nghiên cứu Nhật Bản giới thiệu bài báo “Sự quang phân điện hóa của nước tại một điện cực bán dẫn” (Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode) trên Nature về một công nghệ có thể tạo ra nhiên liệu lỏng từ CO2, nước và ánh nắng mặt trời như quá trình quang hợp của cây cối. Các nhà nghiên cứu gọi đó là lá nhân tạo.

Quá trình sau đó tiến triển chậm chạp. Đến năm 1998, Tuner xuất bản một công bố trên Science về một hệ thống hoàn chỉnh với một bước tiến lớn – có khả năng lưu trữ 12% nhiên liệntừ năng lượng mặt trời trong khi năng lượng sinh khối từ thực vật chỉ đạt hiệu suất 1%. Tuy nhiên, điểm yếu của hệ thống này là chi phí gấp 25 lần, không đủ sức cạnh tranh và độ bền của nó chỉ đạt 20 giờ.

Vì vậy Natthan Lewis, nhà hoá vô cơ tại Caltech và Giám đốc khoa học của JCAP cho rằng đối với một cái lá nhân tạo, có ba yếu tố cần thiết là “hiệu suất, giá thành và độ bền. Tôi có thể cung cấp cho anh ngay [một cái lá] có hai trong ba yếu tố này còn yếu tố thứ ba thì còn phải chờ”.

Nhiệm vụ của JCAP là giải quyết bế tắc này. Tuy nhiên việc làm cho bất kỳ thành phần nào của một chiếc lá nhân tạo hoạt động tốt cũng là một thách thức; kết hợp chúng lại thành một hệ thống hoàn chỉnh còn khó hơn nhiều. “Điều này giống như việc thiết kế và lắp đặt một cái máy bay. Anh không chỉ có một động cơ mà còn phải thiết kế cả cánh, thân máy bay, hệ thống điều khiển và cuối cùng phải làm sao để chiếc máy bay này bay được”, Lewis ví von.

Rất nhiều khó khăn đến ngay từ việc lựa chọn vật liệu chuẩn.Ví dụ như Silicon có thể làm ra một quang cathode – điện cực sản xuất ra khí hydro – nhưng nó chỉ bền trong một dung dịch có tính axít. Thật không may là nó lại trái ngược với điều kiện hoạt động của quang anode – điện cực sản xuất ô xi, vốn chỉ bền vững trong dung dịch không có tính a xít. Và iridi, chất xúc tác cho điện cực sản xuất ô xi này vừa hiếm lại vừa đắt, không phù hợp với thiết bị được sản xuất trên diện rộng.

Carl Koval, nhà điện hóa và giám đốc của JCAP nhấn mạnh, một trong những khó khăn bậc nhất trong việc quang hóa nhân tạo là tìm một vật liệu tốt để làm quang anode. “Những nguyên liệu đã thử luôn luôn thiếu ổn định, thường thường độ bền chỉ tính bằng phút”. Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm những vật liệu đã được biết rõ là rẻ và ổn định – tất nhiên là ô xít kim loại – và cố làm cho chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Còn nhiều người khác nghĩ tốt hơn là bắt đầu với những vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng và sau đó cố làm cho chúng bền và rẻ.

Một nhóm nghiên cứu của JCAP đi theo cách tiếp cận thứ hai. Bằng việc phủ một lớp “áo” bảo vệ bằng ô xít titan lên chất quang hấp thụ mạnh như silicon, các nhà nghiên cứu đã thành công khi đem lại độ bền cho nó.“Về cơ bản đó là mảnh ghép cuối cùng để tạo ra mẫu thử lá nhân tạo thế hệ mới”, Koval dự đoán.

Lewis cho rằng, “đó sẽ là một hệ thống có hiệu suất đạt hai con số và có tính bền”. Tuy nhiên, khả năng thương mại hóa sản phẩm không cao, bộ phận quang hấp thụ vẫn không đủ rẻ để mang ra ngoài thị trường bởi bộ lõi được làm từ silicon đơn tinh thể đắt đỏ, ông dự đoán.

Nhiều ý tưởng

Bên cạnh JCAP, còn có nhiều cách tiếp cận khác được thử nghiệm để theo đuổi mục tiêu này. Ví dụ bên bờ biển Santa Barbara, California, HyperSolar – một startup, đang thử nghiệm một hệ thống có bộ quang hấp thụ được phủ bằng một lớp nano và chất xúc tác được đặt trong một túi nhựa đựng nước trong suốt. Túi nhựa này sẽ phồng lên khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và hydro, khí ô xi được tách trong đó.  Những hệ thống như thế này có thể sử dụng ở những vùng có nhiều ánh nắng mặt trời như sa mạc. Một báo cáo của DOE dự đoán, nếu sử dụng các vật liệu rẻ tiền thì “túi đặc biệt” này có thể làm ra được hydro với hiệu suất 10% và có độ bền tới 10 năm.

Tuy nhiên hệ thống trên tiềm ẩn nguy hiểm rất lớn, Turner nhận xét, bởi nó tạo ra ô xi bên cạnh hydro. “Nếu đặt những chiếc túi này vào diện tích khoảng chừng 100 dặm vuông trên sa mạc với hỗn hợp nguy hiểm này, chỉ một tia chớp là có thể tạo ra một thảm họa”. Các nhà nghiên cứu của HyperSolar đang tìm nhiều cách để hạn chế hiểm họa và một trong số đó là dùng một hệ thống phân tách các khí vào hai túi, Syed Mubeen – một postdoc tại trường đại học California ở Santa Barbara, và là người phụ trách bộ phận nghiên cứu tại công ty – cho biết. Một cách khác là cho vận hành một hệ thống dùng nước thải thay vì nước tinh khiết, vì vậy ô xi sẽ phản ứng với các tạp chất hữu cơ và phân rã chúng thành những hóa chất có giá trị.Cách tiếp cận này “loại bỏ được ô xi khỏi phương trình phản ứng một cách hoàn toàn”, Mubeen nói.Giống như quang anode bền vững của JCAP, bộ phận quang hấp thụ của HyperSolar cũng được bảo vệ bằng một lớp phủ bên ngoài.

Một đại diện khác trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo là Hiệp hội nghiên cứu công nghệ về quá trình hóa học quang hợp nhân tạo (ARPChem) -một liên doanh của các trường đại học và các công ty mà ngân sách do chính phủ cấp có thể so sánh được với JCAP, kèm theo thời hạn 10 năm – để phát triển một cách tiếp cận kiểu “túi nhiên liệu” của HyperSolar. Kazunari Domen, nhà hóa học ở trường Đại học Tokyo và là người phụ trách nhóm tách nước của ARPChem, cho biết một trong những công ty của liên doanh đã nghiên cứu về lớp màng tách hydro và các sản phẩm về ôxi.

Bên cạnh đó, những dự án đang nhắm tới việc tạo các bộ quang hấp thụ bằng các phân tử hữu cơ thay vì chất bán dẫn.Một số nhà nghiên cứu đang xây dựng phân tử được lấy cảm hứng từ cơ quan quang hợp của cây trồng.Trong vài năm qua, một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng perovskite – có hiệu ứng chuyển đổi năng lượng cao và có thể có tiềm năng trong quang hợp nhân tạo.

Daniel Nocera – nhà hóa học ở trường Đại học Harvard tại Cambridge, Massachusetts, đã thành lập công ty Sun Catalytix để phát triển một xúc tác giá thành thấp. Tuy nhiên công ty này đã thông báo là họ đang tiến hành nghiên cứu để theo đuổi một sản phẩm có triển vọng thương mại hóa sớm hơn. Điều đó cho thấy việc đưa hệ thống quang hợp nhân tạo ra thị trường gặp vô vàn khó khăn.

Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang nỗ lực tìm ra thứ công nghệ tốt nhất. Devens Gust, nhà hóa học ở trường đại học liên bang Arizona ở Tempe, nhận xét: “Điều cốt lõi là không ai thực sự biết rằng công nghệ nào sẽ chiến thắng, công nghệ nào sẽ hữu dụng.”

Nhưng bất cứ công nghệ nào chiếm ưu thế thì theo Lewis, logic đằng sau quang hợp nhân tạo là không thể lay chuyển: “Nguồn năng lượng lớn nhất mà chúng ta có là mặt trời và cách tốt nhất là chuyển hóa nó!”.

Anh Vũ lược dịch

Nguồn: https://www.nature.com/news/solar-energy-springtime-for-the-artificial-leaf-1.15341#/related-links