Các chuyên gia tại ĐH Cambridge (Anh) vừa cho ra đời một thiết bị mới có thể tiếp nhận ánh sáng Mặt trời, carbon dioxide (CO2) và nước để tạo ra một nhiên liệu trung tính với carbon mà không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào.

Đây là thiết bị không dây sử dụng hình thức “quang hợp nhân tạo” – quá trình mà thực vật sử dụng để biến ánh sáng Mặt trời thành năng lượng. Công trình đã được đăng lên tạp chí Nature Energy.

Thiết bị trên dựa trên công nghệ “photoheet” tiên tiến và chuyển đổi ánh sáng Mặt trời, carbon dioxide và nước thành oxy và axit formic – một loại nhiên liệu có thể lưu trữ được. Theo nhóm nghiên cứu của ĐH Cambridge, nhiên liệu này có thể được sử dụng trực tiếp trong các máy phát điện được phát triển đặc biệt hoặc bằng cách chuyển nó thành hydro.

Thiết bị không dây trên có thể được mở rộng và sử dụng trong các “trang trại” năng lượng tương tự như các trang trại năng lượng Mặt trời, sản xuất nhiên liệu sạch không sử dụng gì ngoài ánh sáng Mặt trời và nước.

Theo các chuyên gia, thu hoạch năng lượng Mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu là một cách đầy hứa hẹn nhằm giảm lượng khí thải carbon và chuyển đổi việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc tạo ra những nhiên liệu sạch này mà không có các sản phẩm phụ không mong muốn thường rất tốn kém và phức tạp để loại bỏ.

Một tác giả của nghiên cứu, Tiến sĩ Qian Wang cho biết, “rất khó để đạt được quá trình quang hợp nhân tạo với mức độ chọn lọc cao để bạn chuyển đổi càng nhiều ánh sáng Mặt trời càng tốt thành nhiên liệu bạn muốn, mà không để lại nhiều chất thải”.

Trong khi đó, tác giả cấp cao, Giáo sư Erwin Reisner cho biết việc lưu trữ nhiên liệu khí và tách các sản phẩm phụ có thể là một quá trình phức tạp. Ông nói: “Chúng tôi muốn đạt đến mức có thể sản xuất một cách sạch sẽ một loại nhiên liệu lỏng dễ dàng lưu trữ và vận chuyển”.

Năm 2019, các nhà nghiên cứu của nhóm ông Reisner phát triển một lò phản ứng năng lượng Mặt trời dựa trên thiết kế dioxide và nước để sản xuất nhiên liệu, được gọi là “khí tổng hợp”.

Công nghệ mới hoạt động khá giống với “lá nhân tạo” nhưng hoạt động theo một cách khác và tạo ra axit formic. Trong khi lá nhân tạo sử dụng các tấm pin Mặt trời, thiết bị mới không đòi hỏi những bộ phận này và chỉ dựa vào chất quang xúc tác được nhúng trên một tấm để tạo ra cái gọi là tấm quang xúc tác.

Các tấm này được tạo thành từ bột bán dẫn, có thể được chuẩn bị với số lượng lớn một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí.

Ngoài ra, công nghệ mới này mạnh mẽ hơn và tạo ra nhiên liệu sạch dễ lưu trữ hơn, đồng thời có tiềm năng tạo ra các sản phẩm nhiên liệu ở quy mô lớn.

Thiết bị thử nghiệm có kích cỡ khoảng 20 cm2 nhưng các nhà nghiên cứu nói rằng có thể mở rộng nó lên cả mét. Ngoài ra, axit formic có thể được tích tụ trong dung dịch và được chuyển đổi về mặt hóa học thành các dạng nhiên liệu khác nhau.

Ông Wang cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên về mức độ hoạt động của nó về tính chọn lọc, hầu như nó không tạo ra sản phẩm phụ nào.

Đôi khi mọi thứ không hoạt động tốt như bạn mong đợi, nhưng đây là trường hợp hiếm khi thực tế nó lại hoạt động tốt hơn”. Theo các tác giả nghiên cứu, thiết bị này dễ chế tạo và tương đối ổn định.

Mặc dù, công nghệ này sẽ dễ mở rộng quy mô hơn so với lá nhân tạo, nhưng hiệu quả vẫn cần được cải thiện trước khi có thể xem xét để triển khai về mặt thương mại. Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm một loạt các chất quang xúc tác khác nhau để cải thiện cả tính ổn định và hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu đang làm việc để tối ưu hóa hơn nữa hệ thống và nâng cao hiệu quả và xem xét liệu họ có thể sản xuất các loại nhiên liệu Mặt trời khác nhau không. “Chúng tôi hy vọng công nghệ này sẽ mở đường cho việc sản xuất các loại nhiên liệu Mặt trời bền vững và thiết thực” – ông Reisner nói.

Thiết bị mô phỏng hiệu quả quá trình quang hợp tự nhiên trên được mong chờ sẽ đại diện cho một bước đột phá lớn của các nhà nghiên cứu năng lượng. Nó mở ra hy vọng về một nguồn năng lượng sạch giúp con người giảm bớt việc dùng nhiên liệu hóa thạch, giải quyết được phần nào sự nhức nhối trong vấn đề môi trường hiện nay.

Trong công bố trên tạp chí khoa học Nature Energy ngày 24/8, các chuyên gia khẳng định thiết bị mới trong tương lai có thể được phát triển thêm và sử dụng trong các trang trại năng lượng Mặt trời (Solar farm) sản xuất nhiên liệu sạch.

Tức là không sử dụng gì ngoài ánh sáng Mặt trời và nước làm đầu vào. Các tấm lá nhân tạo này được tạo thành từ bột bán dẫn nên có thể được chế tạo với số lượng lớn một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí, cho thấy tiềm năng sản xuất ở quy mô lớn.18