Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng và nhu cầu giảm phát thải carbon toàn cầu cấp bách, các nhà khoa học đang nỗ lực tái tạo quá trình quang hợp tự nhiên để biến CO₂ - thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính - thành các hợp chất hữu ích. Một đột phá gần đây từ nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge (Anh) đã giới thiệu thiết bị “lá bán nhân tạo” (semi-artificial leaf) tiên tiến, kết hợp polymer hữu cơ hấp thụ ánh sáng với enzyme từ vi khuẩn để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng Mặt Trời, nước và CO₂ thành formate - một loại nhiên liệu sạch có thể lưu trữ dễ dàng và sử dụng làm nguyên liệu cho các phản ứng hóa học tiếp theo. Công nghệ này không chỉ hoạt động độc lập mà còn loại bỏ các chất độc hại, mở ra triển vọng “phi hóa thạch hóa” ngành công nghiệp hóa chất, góp phần xây dựng nền kinh tế tuần hoàn bền vững.

 

Thiết bị biohybrid này, được phát triển dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Erwin Reisner tại Khoa Hóa học Yusuf Hamied, Đại học Cambridge, mô phỏng chặt chẽ cơ chế quang hợp của lá cây thực thụ. Thay vì sử dụng chất bán dẫn vô cơ độc hại như chì hoặc cadmium thường thấy ở các mô hình trước, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên tích hợp chất bán dẫn hữu cơ (organic semiconductors) làm thành phần hấp thụ ánh sáng chính. Những polymer này kết nối với ma trận inverse opal TiO₂ chứa enzyme hydrogenase (cho sản xuất hydro) hoặc formate dehydrogenase (cho chuyển hóa CO₂ thành formate), cùng với carbonic anhydrase để tăng cường hiệu quả.

Kết quả thử nghiệm ấn tượng: thiết bị đạt mật độ dòng điện quang lên đến -8 mA/cm² trong dung dịch bicarbonate trung tính, sản xuất formate với hiệu suất Faraday gần 87% và hiệu quả chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu khoảng 0.6%. Quan trọng hơn, quá trình diễn ra mà không cần chất đệm hóa học độc hại, chất trung gian điện tử hay chất hy sinh, giúp hệ thống ổn định lâu dài (hơn 10 giờ hoạt động liên tục). Trong một ứng dụng thực tế, formate được sản xuất trực tiếp được sử dụng làm nguồn hydride trong phản ứng hydro hóa bất đối xứng, tổng hợp hợp chất dược phẩm quan trọng với năng suất và độ tinh khiết cao - một chuỗi phản ứng “domino” minh chứng tiềm năng công nghiệp.

So với các “lá nhân tạo” thế hệ trước của chính nhóm Reisner (như sản xuất syngas từ CO₂ và nước năm 2019), phiên bản mới vượt trội ở tính bền vững: tránh độc tố, tăng tuổi thọ và giảm phụ thuộc vào hóa chất bổ sung. Công nghệ này cũng khác biệt với các hệ thống biohybrid khác sử dụng vi khuẩn toàn bộ (như chuyển CO₂ thành acetate) hay chất bán dẫn vô cơ, nhờ sự kết hợp enzyme chọn lọc cao - sản phẩm của hàng tỷ năm tiến hóa - với vật liệu hữu cơ thân thiện môi trường.

Trên bình diện rộng hơn, ngành công nghiệp hóa chất hiện nay phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch, sản xuất hàng trăm nghìn hợp chất từ dược phẩm đến nhựa và phân bón. Việc chuyển đổi CO₂ thành formate không chỉ giúp hấp thụ khí nhà kính mà còn tạo nguyên liệu trung gian sạch cho sản xuất xanh. Các nghiên cứu liên quan khác, như hệ thống perovskite-BiVO₄ sản xuất nhiên liệu đa carbon hoặc lá nổi sản xuất syngas, cũng đang tiến bộ, nhưng thiết bị Cambridge nổi bật ở tính đơn giản, không cần điện ngoài và khả năng mở rộng. Dự báo đến năm 2050, nhu cầu năng lượng tái tạo sẽ tăng gấp đôi, và công nghệ như thế này có thể góp phần giảm hàng tỷ tấn CO₂ phát thải hàng năm.

Thiết bị “lá bán nhân tạo” biohybrid từ Đại học Cambridge đánh dấu bước ngoặt trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo, chứng minh rằng chúng ta có thể tái tạo hiệu quả tự nhiên mà không gây hại môi trường. Với khả năng chuyển hóa CO₂ thành formate bền vững, công nghệ này không chỉ hứa hẹn giảm phát thải carbon mà còn cách mạng hóa sản xuất hóa chất, dược phẩm và nhiên liệu sạch. Trong tương lai gần, khi được tối ưu hóa và mở rộng quy mô, nó có thể trở thành nền tảng cho hệ thống sản xuất tuần hoàn, giúp nhân loại tiến gần hơn đến mục tiêu trung hòa carbon. Đây là minh chứng sống động rằng sự kết hợp giữa sinh học và công nghệ hiện đại có thể mang lại giải pháp thực tiễn cho khủng hoảng khí hậu toàn cầu.

P.A (NASTIS)

Tài liệu tham khảo

1. Biohybrid leaf mimics photosynthesis to turn CO₂ and sunlight into useful chemicals. TechXplore, 10/10/2025. https://techxplore.com/news/2025-10-biohybrid-leaf-mimics-photosynthesis-co8322.html
2. Solar-powered method lights the way to a ‘de-fossilised’ chemical industry. University of Cambridge, 2025. https://www.cam.ac.uk/research/news/solar-powered-method-lights-the-way-to-a-de-fossilised-chemical-industry