Câu hỏi:

Sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo

(1) Nhân loại đang phải đối mặt với  vấn đề khủng hoảng năng lượng:  nhiên  liệu  hóa  thạch  đang  dần  cạn kiệt, những túi dầu trong lòng  đất đang vơi đi một cách không  kiểm soát, phát triển năng lượng  hạt nhân gặp phải những vấn đề  về  nguy  cơ  mất  an  toàn...  Cùng  với đó là phát thải khí nhà kính gia  tăng ở mức báo động, trở thành  mối  nguy  hại  lớn  và  hiểm  họa  khôn lường (gây ra hiện tượng ấm  lên  toàn  cầu,  khí  hậu  diễn  biến  không theo quy luật, những hiện  tượng thời tiết cực đoan gia tăng  mạnh mẽ...). An ninh năng lượng  và phát triển bền vững đang đặt  ra  thách  thức  chưa  từng  có  đối  với loài người. Những hệ lụy là vô  cùng lớn, quyết định sự tồn vong  của Trái đất.

(2) Từ năm 1970, thế giới đã chứng  kiến    sự tăng trưởng nhanh chóng  về nhu cầu năng lượng, trong đó  nguồn cung cấp chủ yếu là nhiên  liệu hóa thạch và sản xuất điện  tập  trung.  Nhưng  dự  kiến  bức  tranh về năng lượng tương lai  sẽ  rất khác. Hiện tại, cuộc chiến  về sản lượng trên thị trường dầu  mỏ  ở  Trung  Đông  đã  đẩy  giá  năng lượng đè nặng lên vai người  dân. Những ông lớn trong ngành  năng lượng đang sử dụng nguồn  cung năng lượng như vũ khí trong  cuộc chiến thương mại toàn cầu  khi sự phụ thuộc của các quốc gia  vào  dầu  mỏ,  khí  đốt  ngày  càng  trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.  Nga, Mỹ, EU và những quốc gia  khác đang cố gắng tối đa sức ảnh  hưởng và tác động chính trị của  mình lên cán cân năng lượng toàn  cầu. Chính vì vậy, Ủy ban châu Âu  (EC) đã thúc đẩy sự hình thành  một  Liên  minh  năng  lượng  cho  sự phối hợp các chính sách năng  lượng bao gồm cả việc tiết kiệm  năng lượng và giảm khí thải CO 2 cho đến việc đa dạng hóa nguồn  cung an ninh năng lượng.

(3) Cùng  với  cuộc  chiến  năng  lượng,  một  vấn  đề  khác  đe  dọa  trực tiếp mối an nguy và phát triển  bền vững của nhân loại chính là  việc phát thải khí nhà kính đang  ngày  càng  gia  tăng  -  là  nguyên  nhân  chủ  yếu  của  hiện  tượng  ấm  lên  toàn  cầu.  Việc  sử  dụng  nhiên liệu hóa thạch đồng nghĩa  với việc tăng cường phát thải khí  nhà kính. Hiện tốc độ giải phóng  CO 2  tiếp tục tăng nhanh do các  hoạt động công nghiệp của con  người  và  cả  do  những  nguyên  nhân  của  ấm  lên  toàn  cầu  như  băng tan, khí nhà kính giải phóng  từ lòng đất... Một nghiên cứu của  Viện Hải dương học NOAA (Mỹ)  đã cho thấy, CO 2  trong khí quyển  tiếp  tục  tăng  nhanh  vào  năm  2019  với  mức  trung  bình  trong  tháng 5 đạt đỉnh 414,7 ppm, đây  là chỉ số cao nhất theo mùa được  ghi nhận trong 61 năm quan sát  trên đỉnh núi lửa lớn nhất Hawaii.  Giá  trị  đỉnh  năm  2019  cao  hơn  3,5 ppm so với đỉnh 411,2 ppm  vào tháng 5/2018, đánh dấu bước  nhảy hàng năm cao thứ hai trong  lịch sử.

(4) Những vấn đề nêu trên đã đặt  ra yêu cầu về chiến lược phát triển  bền vững trong tương lai là phải  đáp  ứng  được  mục  tiêu  lâu  dài  về năng lượng và khí hậu. Xuất  phát từ đó, nhằm biến thách thức  thành cơ hội, các nhà khoa học  khắp thế giới đang nỗ lực nghiên  cứu tạo ra các nguồn năng lượng  sạch và bền vững. Những nguồn  năng  lượng  này  phải  giải  quyết  được bài toán 2 trong 1, tức là vừa  tái  tạo  nguồn  năng  lượng,  vừa  giảm phát thải khí nhà kính. Bởi  vậy, mục tiêu lớn nhất mà các nhà  khoa học đặt ra là biến tài nguyên  CO 2  dư thừa trong khí quyển và  nguồn năng lượng mặt trời vô tận  thành nguồn nhiên liệu phục vụ  các hoạt động của cuộc sống.  

(5) Chuyển  đổi  quang  hóa  CO 2 thành  nhiên  liệu  được  các  nhà  khoa học kỳ vọng là giải pháp đột  phá để lưu trữ năng lượng mặt trời  dưới dạng các kiên kết hóa học.  Tuy  nhiên,  thách  thức  lớn  nhất  hiện  nay  mà  chúng  ta  chưa  thể  vượt qua đó là hydrocarbon có giá  trị năng lượng cao hiếm khi được  tạo ra theo phương pháp truyền  thống vì những thách thức động  học.  

(6) Thực  vật  sử  dụng  ánh  sáng  mặt trời để điều khiển các phản  ứng hóa học giữa nước và CO 2 .  Khi những tia nắng mặt trời chạm  vào lá cây sẽ kích thích các điện  tử  (electron)  trong chất diệp lục.  Những  điện  tử  bị  kích  thích  khi  nhận  được  năng  lượng  từ  ánh  sáng  mặt  trời  sẽ  thúc  đẩy  các  phản ứng hóa học biến đổi CO 2  và  nước thành glucose. Nhiều phát  minh mang tính ứng dụng rộng rãi  trong cuộc sống nhờ việc chúng  ta bắt chước tự nhiên. Không nằm  ngoài những phát hiện quan trọng  đó, các nhà khoa học đã học hỏi  chính  những  “người  thầy  thực  vật” để làm một công việc có ích.  Theo  đó,  trong  một  nghiên  cứu  mới công bố trên tạp chí  Nature ,  các nhà khoa học thuộc Đại học  Illinois  tại  Urbana-Champaign  (Mỹ) đã tạo ra bước đột phá trong  việc chuyển đổi CO 2  dư thừa trong  khí quyển thành các nguồn năng  lượng hữu ích cho cuộc sống.  

(7) Các nhà khoa học của Đại học  Illinois  tại  Urbana-Champaign  (Mỹ)  đã  sử  dụng  các  hạt  nano  vàng  (Au)  để  thay  thế  cho  chất  diệp lục - một sắc tố hoạt động  như một chất xúc tác trong quang  hợp tự nhiên, giúp thúc đẩy phản  ứng hóa học ở thực vật. Có thể  nói,  đây  là  một  bước  tiến  lớn,  hướng tới việc xây dựng một hệ  thống tái chế carbon, trong đó tận  dụng ánh sáng mặt trời để chuyển  đổi hiệu quả CO 2  và nước thành  nhiên liệu lỏng. Bằng cách tối ưu  hóa hệ thống thực hiện phản ứng,  giờ đây họ có thể điều khiển các  phản ứng hóa học hai electron để  tăng tính hiệu quả về mặt năng  lượng.

(8) Mục tiêu ở đây là sản xuất các  hydrocacbon  phức,  hóa  lỏng  từ  CO 2  dư  thừa  và  các  tài  nguyên  bền vững khác như ánh sáng mặt  trời. Nhiên liệu lỏng là lý tưởng vì  chúng dễ vận chuyển, an toàn và  tiết kiệm hơn so với khí đốt. Hơn  nữa,  chúng  được  tạo  ra  từ  các  phân tử chuỗi dài chứa nhiều liên  kết  hơn,  có  nghĩa  là  chúng  lưu  trữ năng lượng nhiều hơn. Nhóm  nghiên  cứu  của  Đại  học  Illinois  do GS P.K. Jain dẫn đầu đã phát  triển một quy trình nhân tạo, sử  dụng  cùng  một  phần  ánh  sáng  xanh lục của phổ ánh sáng  được  thực vật sử dụng trong quá trình  quang  hợp  tự  nhiên  để  chuyển  CO 2  và nước thành nhiên liệu, với  Sungju Yu (bên phải) và P.K. Jain - các tác giả của công trình. chất xúc tác là các hạt nano vàng  giàu điện tử.  

(9) Trong  quang  hợp,  thực  vật  chuyển  đổi  năng  lượng  từ  ánh  sáng mặt trời thành glucose bằng  cách sắp xếp lại các phân tử nước  và CO 2 . Quá trình mới bắt chước  khả năng tự nhiên này thông qua  các thao tác hóa học tạo ra nhiên  liệu lỏng mà không cần chất diệp  lục.  Nhưng  thay  vì  dựa  vào  các  sắc tố thực vật có khả năng phân  hủy sinh học để chuyển đổi năng  lượng ánh sáng thành năng lượng  hóa  học,  các  nhà  khoa  học  đã  tìm ra một phương pháp tốt hơn,  đó là phát triển quang hợp nhân  tạo, tạo ra các hydrocacbon năng  lượng  cao  bằng  cách  tận  dụng  các hạt nano vàng giàu electron  có kích thước 13-14 nanomet làm  chất xúc tác. Trong nghiên cứu,  các  nhà  khoa  học  đã  chọn  sử  dụng các chất xúc tác kim loại để  hấp thụ ánh sáng xanh và chuyển  các electron và proton cần thiết  cho các phản ứng hóa học giữa  CO 2  và nước. Các hạt nano vàng  hoạt  động  đặc  biệt  tốt  như  một  chất xúc tác vì bề mặt của chúng  tương tác thuận lợi với các phân  tử CO 2 , tăng hiệu quả hấp thụ ánh  sáng  và  không  bị  phá  vỡ  hoặc  biến chất như các kim loại khác.

(10) Nghiên  cứu  mới  này  đã  tạo  ra  bước  tiến  xa  hơn  khi  chuyển  CO 2  thành các phân tử nhiên liệu  hydrocarbon phức tạp (bao gồm  propan và metan) được tổng hợp  bằng cách kết hợp ánh sáng xanh  với các hạt nano vàng trong chất  lỏng ion. Ngoài propan và metan,  phương pháp này cũng cho phép  tạo  ra  ethylene,  acetylene  và  propene.  Đây  là  những  nguyên  liệu quan trọng mà một ngày nào  đó cho phép lưu trữ năng lượng  khả thi dùng trong pin nhiên liệu.

(11) Như  vậy,  bằng  cách  chuyển  đổi CO 2  thành các phân tử phức  tạp hơn như propan, công nghệ  năng lượng xanh hiện đã tiến một  bước gần hơn đến việc sử dụng  CO 2  dư thừa để lưu trữ năng lượng  mặt  trời  dưới  dạng  liên  kết  hóa  học.  Nguồn  năng  lượng  này  có  thể được sử dụng vào những lúc  không có ánh sáng mặt trời hoặc  vào  thời  điểm  nhu  cầu  sử  dụng  năng lượng cao nhất.

(12) Có thể nói, thành quả nghiên  cứu của các nhà khoa học thuộc  Đại học Illinois đã tạo ra bước đột  phá, mở ra triển vọng mới trong  việc  giải  quyết  bài  toán  khủng  hoảng  năng  lượng  và  an  ninh  môi trường. Tuy nhiên, theo đánh  giá của cộng đồng các nhà khoa  học trong lĩnh vực này thì còn rất  nhiều việc phải làm phía trước để  công nghệ này sẵn sàng được sử  dụng và nhân rộng, đáp ứng nhu  cầu cuộc sống.

(Nguồn: “Sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo”, Nguyễn Đức Minh, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 10, năm 2019)

Đâu là nhận xét đúng về vấn đề năng lượng toàn cầu?