TS. Trần Đình Phong: Cố gắng chắt chiu những gì mình có

Với mục tiêu chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học tích trữ trong phân tử hydro thông qua quá trình phân tách quang hóa nước, lá nhân tạo (artificial leaf) đang được nhiều nhà khoa học thế giới hy vọng sẽ trở thànhmột phần quan trọng trong giải pháp về năng lượng và hạn chế khí thải CO2. Cũng nằm trong xu hướng nghiên cứu đó, TS. Trần Đình Phong (Khoa Các khoa học cơ bản và ứng dụng, trường Đại học KH&CN Hà Nội) – một trong 9 nhà khoa học được đề cử giải thưởng Tạ Quang Bửu 2018, đã có 31 công bố về các vấn đề liên quan đến việc chế tạo lá nhân tạo. Anh đã chia sẻ về những nỗ lực theo đuổi nghiên cứu của mình và cộng sự.

TS. Trần Đình Phong và học trò trong phòng thí nghiệm của trường đại học KH&CN Hà Nội. Nguồn: Vietnamnet.

Kể từ những năm 2000, một cuộc “chạy đua” về phát minh ra chiếc lá nhân tạo trên thế giới đã bắt đầu với sự tham gia của nhiều nhóm nghiên cứu, nhiều trung tâm nghiên cứu. Vậy theo anh, cuộc chạy đua này có tạo ra xu hướng nào đáng chú ý? 

Mục tiêu cuối cùng của hướng nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo được một chiếc lá nhân tạo từ các vật liệu rẻ tiền nhưng có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật như đạt hiệu suất chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành hydro trên 10%, có thể hoạt động trong vòng 1.000 giờ. Dù vẫn kiên trì thực hiện song đến nay cộng đồng nghiên cứu vẫn chưa đạt được đủ các yêu cầu trên.

Điểm sáng lớn nhất trong cuộc chạy đua này là hai năm trở lại đây đã xuất hiện một số hướng tiếp cận có phần hơi khác hướng “cổ điển” mà theo tôi, nó khá thú vị.

Thứ nhất là việc chuyển nhanh tới mục tiêu hiệu suất chuyển hoá và tạm thời không quá bận tâm đến vấn đề là vật liệu có dễ kiếm hay không, đắt hay không đắt. Nổi bật trong xu hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư Jaramillo tại trường Đại học Stanford. Năm 2016, công bố của ông xuất bản trên Nature Communications đã nêu đến một chiếc lá với thành phần hấp thụ ánh sáng là một pin mặt trời InGaP/GaAs/GaInNAs(Sb) và hai xúc tác Platinum (Pt, bạch kim), iridium (Ir) cho hiệu suất tới 30%.

Ngược lại, nhóm nghiên cứu của giáo sư Domen tại Nhật Bản lại hướng tới những lá nhân tạo với yêu cầu công nghệ đơn giản, có thể được chế tạo một cách đại trà, dễ thực hiện cho dù hiệu suất chuyển hóa chỉ ở mức khiêm tốn. Trên Nature Materials năm 2016, nhóm ông đã công bố một nghiên cứu đề cập đến các vật liệu dạng bột nano được hòa thành mực rồi in lên trên một bề mặt bất kì để tạo lá nhân tạo.Dù hiệu suất tạo hydro chỉ là 1% nhưng đây là một hướng khá thú vị và có lẽ phù hợp với những nhóm nghiên cứu còn hạn chế về điều kiện thí nghiệm như chúng tôi.

Thứ ba là nhóm nghiên cứu của giáo sư Nocera tại trường Đại học Harvard kết hợp lá nhân tạo của họ với một vi khuẩn có khả năng chuyển hóa hydro và carbon điôxít thành các rượu có từ 3 đến 5 carbon, họ cũng mới công bố kết quả nghiên cứu trên Science năm 2016. Khi thành công hơn, họ có thể giảm được nỗi lo tích trữ hydro, tuy nhiên việc lai (hybrid) giữa một lá nhân tạo với tổng hợp sinh hóa như vậy sẽ còn nhiều trở ngại kĩ thuật phải vượt qua.

Đó là những trở ngại gì?

Việc lai giữa một lá nhân tạo với tổng hợp sinh hóa đòi hỏi các thành phần phải làm việc với nhau một cách hài hòa. Hệ lai này được thiết kế theo cách một chiếc lá nhân tạo nhúng vào nước, trong đó có vi khuẩn có thể chuyển hóa carbon điôxít và hydro để tạo thành rượu. Có thực tế là giữa chiếc lá tạo hydro và vi khuẩn (tác nhân dùng hydro) không có liên kết hữu cơ, vì thế chúng thường hoạt động một cách độc lập mà không tác động đến nhau. Một đặc điểm khác là độ tan của hydro trong nước rất kém, khí hydro tạo ra nhanh chóng thoát khỏi mặt nước giúp cho việc thu khí hydro thuận lợi. Nhưng như vậy nếu vi khuẩn muốn hấp thụ hydro nhiều hơn để chuyển hóa carbon điôxít thành rượu với hiệu suất cao hơn thì cũng chỉ có thể dùng tối đa nồng độ bão hòa của hydro trong nước. Đó là trở ngại mà hướng nghiên cứu này cần giải quyết.

Trong quá trình nghiên cứu lá nhân tạo theo hướng “cổ điển” hay mới thì chất xúc tác vẫn là yếu tố quan trọng. Theo công bố trên Nature Materials vào năm 2016, anh và cộng sự đã tìm ra cấu trúc và cơ chế hoạt động của chất xúc tác a-MoSx. Với anh, phát hiện này có ý nghĩa gì?

Một lá nhân tạo bao gồm hai phần chính là chất hấp thụ ánh sáng mặt trời và xúc tác cho quá trình phân li nước tạo hydro và ôxi. Hoạt động của chất xúc tác ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc chung của lá nhân tạo. Bởi vậy, chúng tôi càng tìm được các chất xúc tác có khả năng hoạt động mạnh, bền và dễ chế tạo càng tốt. Muốn làm được như vậy thì việc hiểu được cấu trúc và cơ chế hoạt động của a-MoSx – xúc tác thuộc hàng tốt nhất hiện nay, là một tiền đề quan trọng cho các bước phát triển tiếp theo. Ví dụ, chúng tôi tìm cách thay đổi cấu trúc của xúc tác này để đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Xin lưu ý rằng khi hiểu nó hoạt động như thế nào chúng tôi cũng có thể tác động để nó hoạt động chậm hơn vì khi khử proton tạo hydro chậm lại, xúc tác có thể trở nên linh hoạt hơn cho phản ứng khử CO2 tạo HCOOH. Một xúc tác trên cơ sở phức cobalt làm việc với nguyên lí như vậy đã được chúng tôi công bố trên JACS năm 2017 vừa rồi.

Với tầm quan trọng này của chất xúc tác, thì ngoài a-MoSx, anh và cộng sự có tìm hiểu thêm về một số vật liệu vô định hình có hoạt tính xúc tác khác?

Những hiểu biết về cơ chế hoạt động của MoSx gợi ý rằng MoSe – chất đồng đẳng của nó, cũng sẽ hoạt động theo cơ chế tương tự. Điều này đã được chúng tôi nghiên cứu và mới công bố gần đây trên tạp chí ACS Applied Materials Interfaces.Trong quá trình thực hiện, chúng tôi đã gặp một số hiện tượng rất bất ngờ so với dự đoán ban đầu. Ví dụ nghiên cứu của các nhóm khác chỉ ra rằng khi mang hạt nano vàng lên trên các xúc tác, trong đó có xúc tác MoS₂, hoạt tính xúc tác sẽ tăng lên đáng kể, gợi ý cho chúng tôi khả năng tương tự với MoSx. Tuy nhiên, khi nghiên cứu, chúng tôi thấy bản thân hạt nano vàng đã có hoạt tính cực tốt, thành ra việc các chất xúc tác khác mang chúng chỉ làm tăng số lượng xúc tác chứ không có tác dụng kích thích các chất xúc tác khác hoạt động nhanh hơn như các công bố cả về lí thuyết và thực nghiệm trước đó. Nghiên cứu về xúc tác vàng đã được chúng tôi công bố trên Chemical Communications tháng 3 vừa rồi.

Hiện nay chúng tôi đang cố gắng dùng cách tiếp cận ngược (bottom up) để dựng lại một chất xúc tác MoSx mà trong đó, tất cả các trung tâm Mo đều hoạt động (trong xúc tác MoSx tại bài xuất bản trên Nature Materials thì tối đa 1/3 trung tâm Mo hoạt động trong khi 2/3 trung tâm còn lại chỉ có vai trò giữ cho cấu trúc bền vững). 

Những nghiên cứu về chất xúc tác này có đóng góp gì vào việc hoàn thiện việc thiết kế lá nhân của anh và cộng sự?

Các chất xúc tác MoS, MoSe… mới chỉ đảm bảo được một nửa của quá trình xúc tác phân tách nước, tức là quá trình tạo hydro.Với nửa còn lại là ôxi hóa nước để tạo ôxi cũng cần một chất xúc tác tốt.Chúng tôi đã tìm được một dung dịch, mà trong phòng thí nghiệm vẫn gọi đùa với nhau là “dung dịch ma thuật” – dung dịch có thể tạo được cả xúc tác tạo hydro và xúc tác tạo ôxi chỉ bằng sự thay đổi điều kiện điện phân.Các kết quả của nghiên cứu này vừa được nhận đăng tại tạp chí Chemistry An Asian Journal trong tháng 4 này.

Với sự tiến triển này, theo dự kiến thì bao nhiêu lâu nữa, nhóm nghiên cứu của anh sẽ có lá nhân tạo?

Xin chia sẻ là nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã thành công trong việc chế tạo chiếc lá nhân tạo đầu tiên của nhóm, đạt hiệu suất chuyển hóa ánh sáng thành hydro là 3% với độ bền ít nhất 3 giờ làm việc liên tục. Do đó, chúng tôi vẫn đang cố gắng hoàn thiện chiếc lá này theo hướng làm tăng hiệu suất với mục tiêu “dè dặt” là 5% và kéo dài thời gian hoạt động hơn nữa. Ý tưởng của chúng tôi là nếu không thể làm việc trong nhiều giờ thì lá phải có khả năng tự sửa chữa khi hỏng. Hi vọng trong thời gian tới, chúng tôi có thể công bố nghiên cứu này.

Những nhóm nghiên cứu xuất sắc ở Học viện Công nghệ liên bang Thụy Sĩ, Viện Công nghệ Massachusetts, một số phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ… cũng hướng đến việc tìm ra lá nhân tạo, hay thậm chí Bộ Năng lượng Mỹ thành lập Trung tâm liên hợp quang hợp nhân tạo cũng vì mục tiêu này. Xét về tương quan, họ vượt trội về điều kiện nghiên cứu, kinh phí đầu tư, con người. Vậy anh có cảm thấy áp lực? 

Thành thật mà nói, nhóm của chúng tôi là một nhóm nhỏ trong khu vực và có thể nói là vô danh trên thế giới. Các nhóm nghiên cứu lớn, các trung tâm lớn có tất cả các điều kiện vượt xa chúng tôi: điều kiện về con người – họ là những người giỏi hơn nhiều và cũng đông hơn nhiều, môi trường làm việc, trang thiết bị nghiên cứu, kinh phí nghiên cứu. Hiểu điều đó, chúng tôi không quá mơ mộng là mình có thể cạnh tranh ngang ngửa với họ. Không bị họ bỏ lại quá xa cũng đã là một điều may mắn rồi, dù thực tế thì hiện nay cũng không có quá nhiều nhóm nghiên cứu thành công trong việc chế tạo lá nhân tạo. Chính vì thế, chúng tôi không có quá nhiều áp lực trong nghiên cứu.

Tất nhiên, ai làm nghiên cứu cũng mong muốn những nghiên cứu của mình có ảnh hưởng, có đóng góp quan trọng cho cộng đồng.Nhưng với điều kiện hiện nay, chúng tôi chỉ cố gắng chắt chiu những gì mình có để xây dựng được nhóm nghiên cứu tốt nhất có thể.Mục tiêu của chúng tôi luôn là năm sau làm được những nghiên cứu khó hơn năm nay, có nhiều người giỏi hơn năm nay và có nhiều hợp tác tốt hơn cho những nghiên cứu tham vọng hơn.Và tất nhiên, có công bố hoặc có sản phẩm nghiên cứu tốt hơn năm nay.

Tuy không có điều kiện nhân lực tốt như các nhóm nghiên cứu hàng đầu thế giới nhưng nhóm nghiên cứu mà anh đang tham gia cũng hội tụ được nhiều người giỏi đấy chứ?

Thực ra gọi tập thể nghiên cứu mà tôi tham gia là một nhóm nghiên cứu quốc tế (group) thì không đúng, vì tôi và các đồng nghiệp vẫn làm việc với nhau trên tinh thần các nhóm nghiên cứu (group) trong một mạng lưới (network) kết hợp thực hiện những nghiên cứu chung. Ngoài những nghiên cứu chung này thì các nhóm lại có những nghiên cứu riêng của mình và có thể dễ dàng kết nối với các nhóm nghiên cứu khác trong một mạng lưới khác. Khi làm việc trong mạng lưới như vậy, mỗi nhóm đều có thể bổ trợ cho nhau bằng thế mạnh riêng của mình. Thường thì nghiên cứu xuất phát từ ý tưởng của nhóm nào thì nhóm ấy đóng vai trò kết nối, điều phối cho thiết kế nghiên cứu, phân tích kết quả, viết và công bố bài. Ví dụ trong hợp tác nghiên cứu với nhóm của GS.Honma và GS.Trương Quang Đức ở ĐH Tohoku, Nhật Bản, nhóm tôi đóng vai trò chính trong các nghiên cứu xúc tác trong khi nhóm của GS. Đức đóng vai trò chính trong các nghiên cứu về pin Liti, Magie.

Điều gì làm nên sự kết nối thông suốt trong mạng lưới này?

Tôi nghĩ làm việc trong một mạng lưới như vậy cần nhất là sự tin tưởng, cởi mở trong trao đổi ý tưởng và luôn học hỏi. Sự tin tưởng cho phép chúng tôi chia sẻ thoải mái các kế hoạch thí nghiệm, những dự đoán mà không sợ “lộ bài”. Tất nhiên sự tin tưởng phải được tạo dựng từ tất cả các nhóm tham gia.

Trong quá trình nghiên cứu về lá nhân tạo, anh rút ra được điều gì?

Tôi nghĩ thế giới Tự nhiên là một nguồn rất tốt để chúng ta có thể học hỏi để rút ra các bí mật công nghệ. Tôi vẫn hay đùa với sinh viên trong trường là không có giáo sư hóa học nào để các bạn học tốt hơn là các quá trình hóa học trong tự nhiên, nhưng sẽ rất khó để chúng ta có thể “lợi dụng” trực tiếp các quá trình tự nhiên và “ép” chúng làm việc cho chúng ta. Một ví dụ là các nhà khoa học có giấc mơ dùng trực tiếp các enzyme hydrogenase thay xúc tác platinum (bạch kim) trong pin nhiên liệu hydro nhưng có vẻ đến nay cũng không có nhiều đột phá lắm. Nếu chúng ta “học” được cách vận hành của enzyme hydrogenase để làm các chất xúc tác thay thế platinum thì có vẻ khả quan hơn.

Cảm ơn và chúc anh thành công.

Thanh Nhàn thực hiện