Phát triển thành công 'lá nhân tạo' có khả năng tạo ra năng lượng sạch

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã phát triển thành công "lá nhân tạo" có khả năng tạo ra nhiên liệu sạch từ ánh sáng mặt trời và nước.

Nhờ các thiết bị có chi phí thấp, tự vận hành và đủ nhẹ để nổi trên mặt nước, những chiếc lá nhân tạo có thể được sử dụng để tạo ra giải pháp thay thế bền vững cho xăng mà không chiếm không gian trên đất liền. Các cuộc thử nghiệm ngoài trời đối với những chiếc lá nhẹ trên sông Cambridge cho thấy chúng có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hiệu quả như cách lá cây thực hiện. Sông Cambridge là con sông chính chảy qua Cambridge ở miền Đông nước Anh.

Đây là lần đầu tiên nhiên liệu sạch được tạo ra trên mặt nước. Nếu được mở rộng quy mô, lá cây nhân tạo có thể được sử dụng trên các tuyến đường thủy bị ô nhiễm, tại các cảng, thậm chí trên biển và có thể giúp giảm sự phụ thuộc của ngành vận tải biển toàn cầu vào nhiên liệu hóa thạch.

Các công nghệ năng lượng tái tạo, chẳng hạn như khai thác gió và mặt trời đã trở nên rẻ hơn đáng kể và sẵn có hơn trong những năm gần đây. Tuy nhiên, đối với các ngành công nghiệp như vận chuyển, việc khử carbon có chi phí lớn hơn nhiều.

Khoảng 80% thương mại toàn cầu được vận chuyển bằng các tàu chở hàng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên lĩnh vực này lại ít được chú ý trong các cuộc thảo luận liên quan đến khủng hoảng khí hậu.

Vài năm gần đây, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Erwin Reisner ở Cambridge đã làm việc để giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển các giải pháp bền vững tạo ra xăng dầu dựa trên nguyên tắc quang hợp. Năm 2019, họ đã phát triển loại lá nhân tạo, có thể tạo ra khí tổng hợp (syngas) từ ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước. Khí tổng hợp là chất trung gian quan trọng trong sản xuất nhiều hóa chất và dược phẩm.

Nguyên mẫu trước đó sản xuất nhiên liệu bằng cách kết hợp 2 chất hấp thụ ánh sáng với chất xúc tác thích hợp để tạo ra nhiên liệu. Tuy nhiên, do nó kết hợp đế thủy tinh dày và lớp phủ chống ẩm, khiến thiết bị này trở nên cồng kềnh. Đồng tác giả - Tiến sĩ Virgil Andrei từ Khoa Hóa học Yusuf Hamied của Đại học Cambridge cho biết, lá nhân tạo có thể hạ thấp đáng kể chi phí sản xuất nhiên liệu bền vững, nhưng vì chúng vừa nặng nề vừa dễ vỡ, nên rất khó sản xuất ở quy mô lớn và vận chuyển.

Tiến sĩ Virgil Andrei và công trình nghiên cứu.  

Theo người đứng đầu nghiên cứu, Giáo sư Reisner, các nhà khoa học muốn xem có thể cắt giảm vật liệu sử dụng trong các thiết bị này đến mức nào để không ảnh hưởng hiệu suất của chúng. Nếu có thể cắt giảm đến mức giúp chúng đủ nhẹ để trôi trên mặt nước, họ sẽ mở ra những cách hoàn toàn mới bằng cách sử dụng những chiếc lá nhân tạo này.

Đối với phiên bản mới của lá nhân tạo, các nhà khoa học lấy cảm hứng từ ngành công nghiệp điện tử. Các kỹ thuật thu nhỏ dẫn đến việc tạo ra điện thoại thông minh và màn hình linh hoạt – mang lại sự cách mạng hóa trong lĩnh vực này.

Thách thức đối với nhóm nghiên cứu của Đại học Cambridge là làm thế nào để đặt các chất hấp thụ ánh sáng vào chất nền nhẹ và bảo vệ chúng khỏi sự xâm nhập của nước. Để vượt qua thách thức này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng oxit kim loại màng mỏng và vật liệu được gọi là perovskites, có thể được phủ lên nhựa dẻo và lá kim loại. Các thiết bị được bao phủ bởi các lớp carbon không thấm nước, mỏng cỡ micromet để ngăn chặn sự suy giảm độ ẩm. Kết quả cho ra một thiết bị không chỉ hoạt động được, mà còn trông giống như chiếc lá thật.

Tiến sĩ Andrei cho biết, nghiên cứu này chứng minh rằng, lá nhân tạo tương thích với các kỹ thuật chế tạo hiện đại, đại diện cho một bước khởi đầu hướng tới tự động hóa và mở rộng quy mô sản xuất nhiên liệu từ năng lượng mặt trời. Theo ông Andrei, những chiếc lá này kết hợp những ưu điểm của hầu hết công nghệ nhiên liệu năng lượng mặt trời vì chúng có trọng lượng thấp và hiệu suất cao.

Các thử nghiệm về lá nhân tạo mới đã chứng minh chúng có thể tách nước thành hydro và oxy, hoặc giảm CO2 thành khí tổng hợp. Mặc dù cần có những cải tiến bổ sung trước khi chúng sẵn sàng cho ứng dụng thương mại, các nhà khoa học tin rằng, sự phát triển này mở ra con đường hoàn toàn mới trong công việc của họ.

Tiến sĩ Andrei nhận định, trang trại năng lượng mặt trời đã trở nên phổ biến để sản xuất điện. Các nhà khoa học đang xem xét để có được những trang trại tương tự để tạo ra nhiên liệu. Chúng có thể cung cấp năng lượng cho các khu định cư ven biển, các hòn đảo xa xôi, che phủ ao nuôi công nghiệp hoặc tránh sự bốc hơi nước từ các kênh tưới tiêu.

Bảo Lâm