Hóa học sử dụng năng lượng mặt trời

Tạo ra các phân tử có thể dùng làm nguyên liệu để tổng hợp thuốc, chất tẩy rửa, phân bón... Ánh sáng nhìn thấy có thể thúc đẩy các quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành các vật liệu phổ biến. Việc sản xuất nhiều hóa chất quan trọng đối với sức khỏe và sự tiêu thụ quá mức nhiên liệu hóa thạch, đã góp phần phát thải carbon dioxide và biến đổi khí hậu. Một cách tiếp cận mới sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide thải thành các hóa chất cần thiết này, có khả năng giảm lượng khí thải.

Quy trình này ngày càng trở nên khả thi nhờ những tiến bộ trong chất xúc tác hoạt hóa bằng ánh sáng mặt trời hay còn gọi là chất xúc tác quang. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển chất xúc tác quang phá vỡ liên kết đôi bền giữa carbon và oxy trong carbon dioxide. Đây là bước đầu tiên quan trọng trong việc tạo ra các nhà máy lọc “năng lượng mặt trời” sản xuất các hợp chất hữu ích từ khí thải - bao gồm các phân tử “nền tảng” có thể dùng làm nguyên liệu để tổng hợp các sản phẩm đa dạng như thuốc, chất tẩy rửa, phân bón.

Chất xúc tác quang thường là chất bán dẫn, đòi hỏi ánh sáng cực tím năng lượng cao để tạo ra các điện tử tham gia vào quá trình biến đổi carbon dioxide. Tuy nhiên, tia cực tím vừa khan hiếm (chỉ chiếm 5% ánh sáng mặt trời) vừa có hại. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác mới hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy dồi dào và lành tính hơn là một mục tiêu chính. Nhu cầu đó đang được giải quyết bằng cách nghiên cứu kỹ lưỡng thành phần, cấu trúc và hình thái của các chất xúc tác hiện có, chẳng hạn như titan điôxít. Chất xúc tác giờ đây chỉ cần ánh sáng nhìn thấy để tạo ra các hóa chất được sử dụng rộng rãi như metanol, fomanđehit và axit fomic - nói chung là quan trọng trong sản xuất chất kết dính, bọt, ván ép, tủ, sàn và chất khử trùng hóa chất.

Hiện tại, nghiên cứu hóa học về năng lượng mặt trời chủ yếu diễn ra trong các phòng thí nghiệm hàn lâm, trong đó có: Trung tâm về quang hợp nhân tạo, do Viện Công nghệ California hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley điều hành; Sunrise consortium - liên minh giữa các trường đại học, ngành công nghiệp và các tổ chức nghiên cứu và công nghệ có trụ sở tại Hà Lan; và Khoa phản ứng dị thể tại Viện chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck ở Mülheim, Đức. Một số công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu một cách tiếp cận khác để biến carbon dioxide thành các chất hữu ích; cụ thể là, sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Sử dụng điện để cung cấp năng lượng cho các phản ứng rõ ràng sẽ kém thân thiện với môi trường hơn so với sử dụng ánh sáng mặt trời nếu điện được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, nhưng sự phụ thuộc vào quang điện có thể khắc phục nhược điểm đó.

Những tiến bộ xảy ra trong quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành hóa chất nhờ ánh sáng mặt trời chắc chắn sẽ được thương mại hóa và phát triển hơn nữa bởi các công ty khởi nghiệp hoặc các công ty khác trong những năm tới. Sau đó, ngành công nghiệp hóa chất - bằng cách biến những gì ngày nay là khí thải carbon dioxide thành các sản phẩm có giá trị - sẽ tiến một bước gần hơn để trở thành một phần của nền kinh tế tuần hoàn, không chất thải thực sự, cũng như giúp biến mục tiêu tạo ra phát thải âm thành hiện thực.

P.A.T (NASATI), theo Top 10 Emerging Technologies of 2020, WEF