Kawanishi, Nhật Bản, ngày 15 tháng 11 năm 2022 /PRNewswire/ — Các vấn đề môi trường như biến đổi khí hậu, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, tuyệt chủng loài, ô nhiễm nhựa và phá rừng đang ngày càng trầm trọng trên toàn thế giới do sự bùng nổ dân số.
Khí carbon dioxide (CO2) là một loại khí nhà kính và là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh đó, một quá trình được gọi là “quang hợp nhân tạo (khử CO2 bằng ánh sáng)” có thể sản xuất nguyên liệu hữu cơ cho nhiên liệu và hóa chất từ ​​CO2, nước và năng lượng mặt trời, giống như thực vật. Đồng thời, quá trình này cũng làm giảm lượng khí thải CO2, vì CO2 được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất năng lượng và hóa chất. Do đó, quang hợp nhân tạo được coi là một trong những công nghệ xanh tiên tiến nhất hiện nay.
MOF (Khung kim loại hữu cơ) là vật liệu siêu xốp được cấu tạo từ các cụm kim loại vô cơ và các chất liên kết hữu cơ. Chúng có thể được kiểm soát ở cấp độ phân tử trong phạm vi nanomet và có diện tích bề mặt lớn. Nhờ những đặc tính này, MOF có thể được ứng dụng trong lưu trữ khí, tách khí, hấp phụ kim loại, xúc tác, vận chuyển thuốc, xử lý nước, cảm biến, điện cực, bộ lọc, v.v. Gần đây, người ta phát hiện ra rằng MOF có khả năng thu giữ CO2 và có thể khử CO2 bằng quang hóa, tức là quang hợp nhân tạo.
Mặt khác, các chấm lượng tử là những vật liệu siêu mỏng (0,5–9 nm) có tính chất quang học tuân theo các quy tắc của hóa học lượng tử và cơ học lượng tử. Chúng được gọi là “nguyên tử nhân tạo hoặc phân tử nhân tạo” vì mỗi chấm lượng tử chỉ bao gồm một vài hoặc vài nghìn nguyên tử hoặc phân tử. Trong phạm vi kích thước này, các mức năng lượng của electron không còn liên tục mà bị tách biệt do một hiện tượng vật lý được gọi là hiệu ứng giam hãm lượng tử. Trong trường hợp này, bước sóng của ánh sáng phát ra sẽ phụ thuộc vào kích thước của các chấm lượng tử. Những chấm lượng tử này cũng có thể được ứng dụng trong quang hợp nhân tạo nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng cao, khả năng tạo ra nhiều exciton và diện tích bề mặt lớn.
Cả MOF và chấm lượng tử đều đã được tổng hợp theo chương trình Liên minh Khoa học Xanh. Trước đây, họ đã sử dụng thành công vật liệu composite MOF-chấm lượng tử để sản xuất axit formic làm chất xúc tác đặc biệt cho quá trình quang hợp nhân tạo. Tuy nhiên, các chất xúc tác này ở dạng bột và phải được thu gom bằng phương pháp lọc trong mỗi quy trình. Do đó, vì các quy trình này không liên tục, nên rất khó áp dụng chúng vào thực tiễn công nghiệp.
Để giải quyết vấn đề này, ông Tetsuro Kajino, ông Hirohisa Iwabayashi và tiến sĩ Ryohei Mori thuộc Công ty TNHH Liên minh Khoa học Xanh đã sử dụng công nghệ của mình để cố định các chất xúc tác quang hợp nhân tạo đặc biệt này trên các tấm vải giá rẻ và phát triển một quy trình mới để sản xuất axit formic, có thể hoạt động liên tục trong các ứng dụng công nghiệp thực tế. Sau khi phản ứng quang hợp nhân tạo hoàn tất, nước chứa axit formic có thể được lấy ra để chiết xuất, và nước sạch mới có thể được thêm vào bình chứa để tiếp tục quá trình quang hợp nhân tạo.
Axit fomic có thể thay thế nhiên liệu hydro. Một trong những lý do chính cản trở sự phát triển của xã hội sử dụng hydro trên toàn thế giới là hydro là nguyên tử nhỏ nhất trong vũ trụ, do đó rất khó lưu trữ, và việc sản xuất bình chứa hydro có độ kín cao sẽ rất tốn kém. Ngoài ra, khí hydro có thể dễ cháy nổ và gây nguy hiểm. Vì axit fomic là chất lỏng, nên việc lưu trữ nó làm nhiên liệu dễ dàng hơn. Nếu cần thiết, axit fomic có thể được sử dụng để xúc tác sản xuất hydro tại chỗ. Hơn nữa, axit fomic có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô cho nhiều loại hóa chất khác nhau.
Mặc dù hiệu quả của quang hợp nhân tạo vẫn còn thấp, Liên minh Khoa học Xanh sẽ tiếp tục đấu tranh để cải thiện hiệu quả nhằm thiết lập các ứng dụng thực tiễn cho quang hợp nhân tạo.