Nhiên liệu mới từ quang hợp nhân tạo trên bong bóng xà phòng

Bạn có thể tạo nhiên liệu không phát thải mới sử dụng các quy trình tương tự do tự nhiên thực hiện? Có, theo các nhà nghiên cứu của Đại học Uppsala dẫn đầu dự án nghiên cứu SoFiA (Quang hợp nhân tạo màng xà phòng), trong đó Đại học Leiden, Đại học Amsterdam, Đại học Bách khoa Turin và một số viện nghiên cứu quốc tế cũng tham gia.

Mục tiêu của dự án, năm 2019 đã nhận được tài trợ 3,2 triệu euro từ Ủy ban Châu Âu, là biến CO2 thành nhiên liệu và nguyên liệu thô cho công nghiệp bằng cách mô phỏng màng thylakoid của lá, nơi diễn ra pha sáng của quá trình quang hợp.

Ngày nay, mục tiêu của dự án SoFiA dường như đã gần hơn: đóng góp quan trọng mới nhất đến từ các nhà nghiên cứu của Bộ chính trị di Torino, người trong một nghiên cứu mới được công bố đã lần đầu tiên chứng minh khả năng sử dụng i phim xà phòng làm màng phản ứng, mở đường cho việc sản xuất nhiên liệu mặt trời từ CO2.

Một bước gần hơn với nhiên liệu mặt trời được tạo ra… từ không khí
Carbon dioxide là một nguồn tài nguyên và bầu không khí là… “của tôi”

Cách chế tạo bong bóng xà phòng: nghiên cứu của Ý

Nghiên cứu mới của Bộ chính trị di Torino, vừa được đăng trên “Thư đánh giá thể chất” bởi một nhóm các nhà nghiên cứu được điều phối bởi giáo sư Eliodoro Chiavazzo, trình bày cách tạo sự bất đối xứng trong màng xà phòng, hoặc cách thiết kế “những bức tường mỏng của bong bóng xà phòng rất thông thường”.

Màng xà phòng có cấu trúc đối xứng điển hình giống như bánh sandwich, trong đó có hai lớp mỏng màng chất hoạt động bề mặt chúng chứa một thể tích nước nhất định: các nhà nghiên cứu đã phát triển một quy trình cho phép "phá vỡ" sự đối xứng này bằng cách khai thác sự lắng đọng không đối xứng của các tác nhân hóa học thông qua bình xịt trên bề mặt của màng.

Kết quả này chuyển thành khả năng sử dụng màng xà phòng như màng phản ứng (tự phục hồi và chi phí thấp) cho các ứng dụng năng lượng khác nhau, bao gồm cả i quá trình quang xúc tác để sản xuất nhiên liệu mặt trời như carbon monoxide từ CO2. Ở đó quang hợp tự nhiêntrên thực tế, nó dựa chính xác vào sự bất đối xứng.

"Chúng tôi tự hào rằng sự đóng góp của Trường Bách khoa có ý nghĩa quyết định trong việc xác định kỹ thuật doping chính xác và hình thành sự hiểu biết lý thuyết về các quy trình làm nền tảng cho công nghệ này”, giáo sư giải thích Eliodoro Chiavazzo.

"Đã chứng minh điều đó trên phim xà phòng”, giáo sư tiếp tục, “nó có giá trị lớn không chỉ về mặt khoa học mà còn về mặt công nghệ, bởi vì nó mang lại cho chúng ta một nền tảng chi phí thấp và dễ xây dựng, trong đó có thể kiểm soát mức độ đối xứng ở quy mô nguyên tử".

Những điều bất ngờ của hóa học: rác thải nhựa biến thành xà phòng
Hóa học tương lai: những thách thức mới của ngành đối với sự bền vững

SoFiA, khả năng quang hợp nhân tạo trên màng xà phòng

Nghiên cứu mới của Đại học Bách khoa Turin là đóng góp quan trọng mới nhất cho một dự án nghiên cứu lớn được bắt đầu vào năm 2019 và được thực hiện nhờ sự hợp tác của nhiều trường đại học và trung tâm nghiên cứu ở cấp độ quốc tế: "Cùng với một nhóm đồng nghiệp quốc tế, chúng tôi đã làm việc trong nhiều năm về việc sử dụng các cấu trúc màng như màng phản ứng.", Ông giải thích Luca Bergamasco, trong số các tác giả của nghiên cứu.

Nghiên cứu này là một phần của chương trình Dự án châu Âu đa ngành SoFiA (Quang hợp nhân tạo màng xà phòng), trong đó liên quan đến những người khácĐại học Uppsala, L 'Đại học Leiden và l 'Đại học Amsterdam.

Trên cơ sở của dự án, mục tiêu đầy tham vọng của bắt chước màng thylakoid của lá, quá trình trong đó diễn ra các quá trình của pha ánh sáng của quá trình quang hợp, để tạo ra "sự tổng hợp diệp lục" nhân tạo để từ đó thu được nhiên liệu mặt trời.

"Quang hợp thu giữ ánh sáng mặt trời và sử dụng năng lượng của nó để thúc đẩy các phản ứng hóa học tích lũy các chất giàu năng lượng như carbohydrate", Anh ấy giải thích Leif Hammarstrom, giáo sư vật lý hóa học tại Phòng thí nghiệm Ångström tại Đại học Uppsala, đồng thời là điều phối viên dự án.

Nhựa và hóa học: tất tần tật về mối quan hệ… “nguy hiểm”
Một giọt dầu đủ thay đổi hệ sinh thái biển

Quang hợp nhân tạo như một sự thay thế thực sự cho hóa thạch

Hầu hết các loại nhiên liệu như ethanol và hydro hiện nay được sản xuất từ nguồn hóa thạch, khai thác dầu làm nguyên liệu thô. Tuy nhiên, theo các nhà khoa học, quang hợp nhân tạo đại diện cho một sự thay thế hợp lệ, bền vững và hiệu quả cho quá trình này. Là sự thay thế cho dẫn xuất dầu mỏ, chúng được sử dụng mặt trời, nước, CO2 và một lớp xà phòng mỏng.

Sử dụng một kỹ thuật tương tự như của pin mặt trời, quá trình quang hợp nhân tạo do Giáo sư Hammarström nghiên cứu có khả năng sản xuất nhiên liệu ở dạng khí hoặc lỏng, mô phỏng những gì xảy ra ở thực vật, tức là chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học.

Do đó, ý tưởng của các nhà khoa học là mô phỏng màng thylakoid bằng cách sử dụng màng xà phòng chứa các loại chất hoạt động bề mặt xúc tác phân tử thu được từ vật chất rất dồi dào trên Trái đất.

"Hầu hết nghiên cứu của chúng tôi xoay quanh công việc khoa học cơ bản, nơi chúng tôi tìm cách hiểu những nguyên tắc đầu tiên và phát triển các chất xúc tác và cơ chế mới,” Hammarström giải thích trong một cuộc phỏng vấn năm 2022, “đó là về tăng tốc độ phản ứng hóa học để các quy trình trở nên hiệu quả hơn về năng lượng".

Kỹ thuật di truyền cho nông nghiệp và thực phẩm bền vững
Đây là loại kem vani đầu tiên được làm từ... rác thải nhựa

Quang hợp để tạo ra nhiên liệu bền vững: ngoài… xà phòng

Tại Khoa Hóa học Phòng thí nghiệm Ångström không chỉ có nhóm của Leif Hammarström bận rộn với bong bóng xà phòng và chất hoạt động bề mặt. Trong nhóm nghiên cứu được điều phối bởi Pia Lindberg, ví dụ: chúng tôi cố gắng thu được nhiên liệu không hóa thạch bằng cách khai thác quá trình quang hợp tự nhiên được thực hiện bởi vi khuẩn lam biến đổi gen.

Thông thường, vi khuẩn lam sử dụng quá trình quang hợp để phát triển, nhưngkỹ thuật di truyền có thể “thuyết phục” họ làm điều gì đó hoàn toàn khác, như sản xuất butanol.

"Ý tưởng là sản xuất hóa chất và nhiên liệu tái tạo từ carbon dioxide trong khí quyển bằng cách sử dụng vi sinh vật.”, Lindberg giải thích, “sử dụng quá trình quang hợp trực tiếp ở các vi sinh vật biến đổi gen nơi chúng ta có thể kiểm soát những gì vi sinh vật thực hiện và tạo ra".

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này, Giáo sư Lindberg giải thích, đó là “sử dụng carbon dioxide từ khí quyển, tức là không cần đường mà tận dụng tối đa quá trình của chính cơ thể".

Kết quả mới nhất của dòng nghiên cứu này có từ tháng 2023 năm XNUMX, khi nhóm Lindberg công bố một nghiên cứu chứng minh rằng vi khuẩn lam biến đổi có thể tạo ra isopren (A nhiên liệu tổng hợp bền vững hoàn hảo cho ngành hàng không), sử dụng năng lượng mặt trời và carbon dioxide có trong không khí.

Dự án đầy tham vọng nhằm sản xuất nhiên liệu không phát thải CO2 có sự tham gia của các nhóm nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới, ngày càng gần hơn với việc trở thành hiện thực.

Thu hồi và lưu trữ carbon: chúng ta nên sử dụng CO2 như thế nào?
Thu giữ và lưu trữ CO2: 5 chiến lược trên con đường đạt đến con số XNUMX ròng