Bước tiến mới đến quang hợp nhân tạo

Từ lâu, các nhà khoa học đã muốn bắt chước cách thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Quang hợp nhân tạo là quá trình sao chép phương pháp của tự nhiên, sử dụng ánh nắng để thúc đẩy các phản ứng hóa học nhằm tạo ra năng lượng sạch. Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn còn nhiều thách thức để thiết kế được một hệ thống quang hợp nhân tạo hiệu quả.

Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) và Đại học Tokyo đã thiết kế một loại hydrogel lấy cảm hứng từ sinh học mới, có thể tạo ra hydro và oxy nhờ phân tách các phân tử nước bằng ánh sáng mặt trời. Kết quả này là một bước ngoặt đầy hứa hẹn trong hành trình tìm kiếm năng lượng sạch, vì hydro được coi là nhiên liệu tiềm năng của tương lai.

Các công nghệ năng lượng sạch khác như quang điện mặt trời và sản xuất hydro dựa trên điện phân đều cần nguồn năng lượng bên ngoài, còn hệ thống hydrogel mô phỏng thiên nhiên lại sử dụng ánh nắng trực tiếp để phân tách nước. Đặc biệt là hệ thống này còn có thể tiếp tục cải thiện hiệu quả và giảm chi phí.

Các hydrogel chứa đầy các phân tử chức năng, như phức hợp rutheni và các hạt nano bạch kim, hoạt động cùng nhau để mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên.

Nhóm tác giả cho biết thách thức lớn nhất là tìm ra cách sắp xếp các phân tử để chúng có thể truyền electron một cách trơn tru, do đó họ đã thiết kế một loại hydrogel với các mạng lưới polymer được cấu trúc tỉ mỉ để ngăn các electron kết tụ với nhau – đây cũng vấn đề thường gặp trong các hệ thống quang hợp tổng hợp. Các mạng lưới polymer này giúp kiểm soát quá trình truyền electron, vốn là yếu tố rất quan trọng để phân tách nước thành hydro và oxy. Nhờ vậy, nhóm đã có thể làm cho quá trình phân tách nước thành hydro và oxy hiệu quả hơn so với các kỹ thuật cũ.