Ánh sáng mặt trời và điện năng cho trái đất

Vấn đề năng lượng đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất của thế giới, Harry B.Gray ở viện công nghệ California (California Intistute of Technology) tìm được phương pháp chuyển hóa hóa học khả thi có thể giúp khai thác nguồn năng lượng mặt trời đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới.

Một trong những thách thức của thế kỷ 21 là chuyển đổi năng lượng dồi dào, ít phân tử (ánh sáng mặt trời) thành năng lượng giàu phân tử (khí hydro). Chúng ta cần thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng các nhiên liệu tạo thành nhờ sử dụng ánh sáng mặt trời, ví dụ quá trình tạo H2 từ H2O, hay CH3OH từ H2O và CO2. Hơn nữa, năng lượng mặt trời có thể sử dụng liên tục bằng cách cho tích trữ vào ban ngày, được chuyển thành cơ năng, hay điện năng dùng cho cả ngày lẫn đêm.

Hệ thống chuyển đổi từ ánh sáng thành khí H2 cần phải có các chất xúc tác hóa học tốt hơn xúc tác hiện nay. Cần phải tạo ra được các chất xúc tác rẻ, không cần tinh chất, hoặc từ những nguyên liệu dồi dào trên trái đất. Platin là một chất xúc tác rất tốt, tuy nhiên nó là kim loại hiếm, nên không đáp ứng đủ nhu cầu trên phạm vi rộng. Xúc tác đòi hỏi không những rẻ mà còn phải tốt, đó là một yêu cầu rất cao.

Từ lâu, các nhà khoa học đã tìm cách sử dụng nhiều nguyên tố kim loại để kích hoạt các phân tử hữu cơ nhỏ. Tuy nhiên, khung hữu cơ của các phân tử sinh học này dễ dàng bị phân hủy bởi sự oxi hóa và các quá trình hóa học khác, làm giảm tuổi thọ của chúng. Để giải quyết vấn đề này, nhiều nhà khoa học đã cố gắng tạo các xúc tác phức với phối tử trung tâm là kim loại (metallocentre), bắt chước khả năng hoạt động của các enzyme. Tuy vậy, một bài học thu được qua nhiều công trình nghiên cứu là các xúc tác phức đặc biệt này chỉ hoạt động tốt khi chúng được đặt trong một lồng protein, được sắp xếp trật tự. Hiện nay, lĩnh vực nghiên cứu này đang rất năng động. Quả thực như vậy, có nhiều lý do để tin rằng các nhà vô cơ sinh học sẽ có thể tạo được một vật liệu sinh học mới để oxi hóa và khử nước một cách có hiệu quả.

Một pin nhiên liệu. Phần xanh của ánh sáng mặt trời được các thanh màu đỏ (ống nano oxit kim loại) là anot hấp thu , oxi hóa H2O tạo H+. Phần đỏ của ánh sáng đi xuyên qua và được các thanh màu xanh (ống nano silicon) là catot hấp thu, kết hợp electron và H+ tạo H2. Màng tế bào (màu xanh sáng) phải có đặc tính thấm được H+ sinh ra và dẫn được electron giữa hai điện cực. Các hạt hình cầu nhỏ ở anot là các phân tử O2, ở catot là các phân tử H2.

Các nhà khoa học thực nghiệm và nhà khoa học lý thuyết, ở Trung Tâm Phát Triển Năng Lượng Mặt trời (CCISolar), đều đang nỗ lực không ngừng với mục tiêu tạo ra được hệ xúc tác trên cơ sở các ống nano. Các ống nano có vai trò là các anod và một vật liệu khác dùng để tạo ra các ống nano có vai trò là các catot, cả hai được nhúng trong một màng tế bào để hấp thu ánh sáng (hình trên). Ánh sáng xanh được hấp thu ở phần anot của màng tế bào, oxi hóa H2O sinh ra H+. Ánh sáng đỏ được hấp thu ở vùng catot, ở đây H+ kết hợp với electron tạo ra H2. Các nhà nghiên cứu tại CCISolar đã có nhiều tiến bộ vượt bật trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là phát triển tập hợp ống nano dùng làm điện cực quang học, xúc tác cho sự oxi hóa và khử nước hay ứng dụng trong quang sinh học. Tuy nhiên, để tạo ra được xúc tác phân ly nước hiệu quả có nguồn gốc từ các nguyên liệu rẻ tiền và có thể ứng dụng trên quy mô lớn, thì vẫn còn một chặng đường dài đầy thử thách phía trước phải trải qua.

Để đạt được mục tiêu, chúng ta phải giải quyết được nhiều vấn đề hóa học cơ bản trước. Nhưng nếu với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật như hiện nay, thì sẽ có được năng lượng mặt trời sử dụng trên phạm vi toàn cầu trước năm 2050. Khi đó, các khu vực ven biển sẽ sử dụng nước biển để tạo khí O2 và H2. Khí H2 làm nguyên liệu cho Pin nhiên liệu tạo ra điện, nước sạch sinh ra trực tiếp từ quá trình này được dẫn vào hệ thống cung cấp nước cho sinh hoạt. Hãy tưởng tượng lúc đó, các cuộc họp bàn về vấn đề năng lượng và nước sạch trên thế giới sẽ diễn ra cùng lúc.

Chúng ta đang có một tầm nhìn rất vĩ đại. Ngoài ra, trong tương lai chúng ta sẽ có thể đưa ba thành phần của khí quyển là O2, N2 và CO2 cùng với nước biển thành một lò phản ứng năng lượng mặt trời để tạo ra không chỉ là nhiên liệu, điện và nước sạch mà còn tạo ra được các polymer, lương thực-thực phẩm và mọi thứ chúng ta cần.

Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info

Nguồn: Nature.com/Gmlab.vn