Hệ thống năng lượng Mặt trời có thể tái sinh nhiên liệu CO2 làm ethanol và ethylene

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã khai thác được năng lượng quang hợp để chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu và rượu với hiệu quả lớn hơn cây trồng rất nhiều. Thành tựu này đạt mốc quan trọng trong nỗ lực hướng tới các nguồn nhiên liệu bền vững.

Nhiều hệ thống đã thành công với việc làm giảm chất hóa học CO2 và tiền chất của nhiên liệu, chẳng hạn như cacbon monoxit hoặc hỗn hợp cacbon monoxit và hydro được gọi là khí tổng hợp. Nghiên cứu mới này, lần đầu tiên chứng minh được cách tiếp cận trực tiếp của CO2 tới những sản phẩm mục tiêu, đó là ethanol và ethylene. Các nhà khoa học đã thực hiện điều này bằng cách tối ưu hóa từng thành phần của hệ thống điện hóa học – quang điện có lớp chặn để giảm tổn thất điện áp và tạo ra các vật liệu mới khi những cái hiện tại không đủ.

Tác giả nghiên cứu Joel Ager – Nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết: Đây là một sự phát triển thú vị. Khi mức khí CO2 trong bầu khí quyển thay đổi sẽ làm biến đổi khí hậu Trái đất, nhu cầu phát triển các nguồn năng lượng bền vững ngày càng trở nên cấp bách, chúng ta cần có một con đường hợp lý để làm nhiên liệu trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.

Con đường từ mặt trời tới nhiên liệu là một trong những mục tiêu chính của Trung tâm liên kết về quang hợp nhân tạo (JCAP), Trung tâm Đổi mới năng lượng DOE thành lập năm 2010 để thúc đẩy nghiên cứu nhiên liệu năng lượng Mặt trời. Nghiên cứu này được tiến hành tại khuôn viên trường Berkeley Lab của JCAP.

Trọng tâm ban đầu của nghiên cứu JCAP đã giải quyết việc chia tách nước hiệu quả trong quá trình quang hợp. Các nhà khoa học đã thực hiện việc giảm CO2 do năng lượng Mặt trời đã bắt đầu thiết lập quan điểm của họ về việc đạt được hiệu quả tương tự như những gì đã chứng minh cho việc chia tách nước, được nhiều người cho là thách thức lớn tiếp theo trong quang hợp nhân tạo. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh để làm việc vào những thời điểm khác nhau trong ngày, mà không chỉ vào thời điểm mức độ chiếu sáng đạt mức 1kW/m2, (1-sun illumination) tương đương với đỉnh điểm của độ sáng chói vào buổi trưa vào ngày nắng. Chúng thay đổi độ sáng của nguồn sáng để cho thấy hệ thống vẫn hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

Khi kết hợp các điện cực với các tế bào quang điện silic, đã đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng Mặt trời từ 3-4% cho mức chiếu sáng là 0,35 đến 1 kW/m2. Thay đổi cấu hình thành pin năng lượng Mặt trời hiệu suất cao kết nối song song mang lại hiệu quả chuyển đổi đối với hydrocarbon và oxy hóa vượt quá 5% ở mức chiếu sáng 1 kW/m2. Trong số các thành phần mới được phát triển là âm cực nanocoral bạc – mạ đồng làm giảm lượng CO2 thành hydrocarbon và oxy hoá, và anôt nano iridium oxide, làm oxy hóa nước và tạo ra oxy. Joel Ager cho biết: Tính năng của nanocoral giống như thực vật, nó có thể sản xuất ra các sản phẩm mục tiêu trong phạm vi rộng, các điều kiện của nó rất ổn định.

Kết quả nghiên cứu đã giúp chúng tôi hiểu được các kim loại hoạt động như thế nào trong cathode bimetal. Cụ thể, bạc trợ giúp trong việc giảm CO2 thành cacbon monoxit, trong khi đồng lấy từ đó để giảm cacbon monoxit và hơn nữa là hydrocarbon và rượu.

Gurudayal, nghiên cứu sinh thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết: Vì CO2 là phân tử ổn định, việc phá vỡ nó thường liên quan đến một lượng năng lượng đáng kể. Giảm CO2 xuống một sản phẩm cuối cùng của hydrocacbon như ethanol hoặc ethylene có thể khả thi. Hệ thống của chúng tôi đã giảm được một nửa trong khi duy trì sự lựa chọn của sản phẩm.Đáng chú ý, các điện cực hoạt động tốt trong nước, môi trường pH trung hòa. Và sử dụng các anôt ở điều kiện kiềm vì anôt thường đòi hỏi một môi trường pH cao, điều này không lý tưởng cho khả năng hòa tan của CO2. Rất khó để tìm thấy một cực dương hoạt động trong điều kiện trung hòa. Các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh anôt bằng cách gia tăng các ống nano iridium oxide trên bề mặt oxit kẽm để tạo ra một diện tích bề mặt đồng đều hơn để hỗ trợ các phản ứng hóa học tốt hơn.

Các nhà khoa học ở JCAP cho biết: Bằng cách nghiên cứu kỹ từng bước một cách cẩn thận, nghiên cứu chứng minh được mức độ hiệu quả mà mọi người không nghĩ là có thể thực hiện được tại thời điểm này. Đây là một bước tiến lớn trong việc thiết kế các thiết bị để giảm khí CO2 hiệu quả và thử nghiệm vật liệu mới, và sự tiến bộ trong tương lai của các thiết bị giảm CO2 hoàn toàn bằng năng lượng Mặt trời.