Giá nhiên liệu ngày càng tăng cao và sự cố lưới điện là một trong các nguyên nhân có thể gây khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Nhu cầu về các nguồn nhiên liệu thay thế đang lớn hơn bao giờ hết, mặc dù đã có sự phổ biến của các tấm pin mặt trời thì một lượng lớn năng lượng mặt trời vẫn chưa được khai thác.

Tổng quan về COFs để sản xuất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu. (Hình ảnh: Đại học Shoolini)

Hiện một nhóm các nhà nghiên cứu đa quốc gia đang tiến hành thực hiện khám phá nghiên cứu hiện có về khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), một loại hợp chất hấp thụ ánh sáng mới, như một giải pháp tiềm năng để sản xuất nhiên liệu hiệu quả bằng năng lượng mặt trời.

Chất xúc tác quang hấp thụ năng lượng từ ánh sáng để thực hiện phản ứng hóa học. Chất xúc tác quang được biết đến nhiều nhất có lẽ là chất diệp lục, sắc tố màu xanh lá cây trong thực vật giúp biến ánh sáng mặt trời thành carbohydrate. Trong khi carbohydrate có thể không còn được ưa chuộng nhưng xúc tác quang đang thu hút nhiều sự chú ý hơn bao giờ hết.

Trong một quá trình quang xúc tác, ánh sáng chiếu vào chất xúc tác quang, làm tăng năng lượng cho các electron và khiến chúng phá vỡ liên kết sau đó di chuyển tự do qua chất xúc tác. Các electron “bị kích thích” này sau đó sẽ phản ứng với các nguyên liệu thô được sử dụng trong một phản ứng hóa học để tạo ra các sản phẩm mong muốn.

Ưu tiên hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng thay thế là sử dụng chất xúc tác quang để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu, quá trình này được gọi là “sản xuất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu”.

Trong một bài đánh giá được xuất bản trong tạp chí Coordination Chemistry Reviews (tiêu đề là: The emerging covalent organic frameworks (COFs) for solar-driven fuels production"), một nhóm học giả đa quốc gia đã nêu bật tiềm năng của các khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), một vật liệu hấp thụ ánh sáng cấp độ mới, trong sản xuất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu.

Theo giải thích của tiến sĩ Pardeep Singh, “năng lượng mặt trời đã được khai thác thành công để sản xuất điện, nhưng chúng ta vẫn chưa thể tạo ra nhiên liệu lỏng một cách hiệu quả từ nó. Những nhiên liệu mặt trời này, như hydro, có thể là nguồn cung cấp năng lượng bền vững dồi dào, có thể lưu trữ và di chuyển được”.

Điểm đặc biệt của COF nằm ở chỗ là nó có khả năng cải thiện xúc tác và bổ sung thêm các phân tử thay thế đặc biệt được gọi là “các nhóm chức” vào cấu trúc của chúng, do đó có thể giải quyết những hạn chế của chất xúc tác quang hiện có. Điều này là do các đặc tính lợi thế và nhất định của COF như tính ổn định hóa học, độ xốp có thể kiểm soát được và sự phân chia điện tử mạnh - những đặc tính làm cho chúng trở nên bền vững hơn.

Giống như tên gọi, COF bao gồm các phân tử hữu cơ được liên kết với nhau thành một cấu trúc có thể được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Hơn nữa, sự phân chia điện tử mạnh có nghĩa là, không giống như trong chất xúc tác quang bán dẫn, các điện tử bị kích thích chỉ thường xuyên tái kết hợp giữa chừng, dẫn đến có nhiều điện tử bị kích thích hơn cho phản ứng hóa học.

Vì những phản ứng này xảy ra ở bề mặt của chất xúc tác quang, nên diện tích bề mặt tăng lên và độ xốp có thể thay đổi của COFs là một lợi thế rất lớn. Các chất xúc tác quang COF được ứng dụng trong chuyển đổi nước thành hydro và sản xuất khí mê-tan từ carbon dioxide, do đó hứa hẹn mang lại lợi ích kép là sản xuất nhiên liệu và giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu. Hơn nữa, chúng thậm chí có thể giúp cố định nitơ, sản xuất chất dẻo và lưu trữ khí.

Một loại COF mới, khung triazin cộng hóa trị (CTF), hiện đang ở giai đoạn tiên tiến của nghiên cứu sản xuất hydro. CTF có khả năng sản xuất hydro cao gấp 20-50 lần so với chất xúc tác quang graphit, khiến chúng trở thành một lựa chọn rất hứa hẹn cho việc sản xuất nhiên liệu trong tương lai.

Điều quan trọng cần lưu ý là chất xúc tác quang dựa trên COF đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và chưa sản xuất nhiên liệu hiệu quả như các chất bán dẫn của chúng. Tuy nhiên, các đặc tính nổi bật và sự đa dạng về cấu trúc của chúng khiến chúng trở thành những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các nghiên cứu năng lượng mặt trời trong tương lai và là giải pháp khả thi cho cuộc khủng hoảng năng lượng đang diễn ra.

P.T.T (NASATI), theo https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=58620.php, 13/8/2021