Panasonic mới đây phát triển một hệ thống quang hợp nhân tạo, chuyển đổi dioxit carbon (CO2) thành các chất hữu cơ bằng cách chiếu sáng dưới ánh mặt trời, đạt hiệu suất 0,2% - hiệu suất cao hàng đầu thế giới hiện nay. Hiệu suất này có thể so sánh được với cây cối thật, dùng cho việc việc tạo năng lượng sinh khối (năng lượng từ chất hữu cơ). Bí quyết của hệ thống là ở việc áp dụng ứng dụng chất bán dẫn nitrit, làm cho hệ thống đơn giản và hiệu quả. Nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho việc chế tạo hệ thống để thu hồi và chuyển đổi CO2 từ các lò đốt rác, nhà máy điện hoặc những hoạt động công nghiệp.

CO2 là một trong các chất chính gây hiệu ứng nhà kính, và do vậy, toàn thế giới đang cố gắng để giảm lượng khí thải CO2. Vấn đề của CO2 cũng liên quan trực tiếp đến vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Quang hợp nhân tạo là cách chuyển đổi trực tiếp từ CO2 thành những các chất hữu cơ, có thể giải quyết cả 2 vấn đề này.

Trong nhiều phương pháp tiếp cận từ trước cho đến nay, các hệ thống đều có cấu trúc phức tạp, dẫn đến khó cải thiện hiệu suất phản ứng với ánh sáng. Hệ thống quang hợp nhân tạo của Panasonic có cấu trúc đơn giản, có hiệu suất chuyển đổi CO2 cao, có thể sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp hoặc ánh sáng tập trung.

Trước hết, Panasonic phát hiện chất bán dẫn nitrit có khả năng kích thích các electron với năng lượng đủ cao để tạo phản ứng chuyển đổi CO2. Chất bán dẫn nitrit vốn gây chú ý vì những ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị quang học, điện năng hiệu quả cao để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, nó còn có thể được sử dụng như một điện cực quang để chuyển đổi CO2.

Sự giảm thải CO2 diễn ra trên chất xúc tác kim loại ở phía đối diện của điện cực quang chất bán dẫn nitrit (xem hình 1). Chất xúc tác kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn và đẩy nhanh quá trình phản ứng. Ở đây, cần lưu ý rằng hệ thống chỉ bao gồm các vật liệu vô cơ, có thể làm giảm CO2 mà không mất nhiều năng lượng. Do điều này, lượng kết quả phản ứng tương xứng chính xác với năng lượng ánh sáng.

 

Hệ thống với chất bán dẫn nitrit và chất xúc tác kim loại chủ yếu tạo ra axit formic từ CO2 và nước với ánh sáng, đạt hiệu suất hàng đầu thế giới là 0,2%. Hiệu suất này có thể so sánh với cây cối thực sự. Axit formic là hóa chất quan trọng trong ngành công nghiệp để làm thuốc nhuộm và hương thơm. Tỉ lệ phản ứng là hoàn toàn cân xứng với năng lượng ánh sáng nhờ ít mất mát năng lượng và cấu trúc đơn giản. Nói cách khác, hệ thống có thể phản ứng với ánh sáng tập trung. Điều này sẽ có thể giúp chế tạo hệ thống đơn giản, nhỏ gọn để thu hồi và chuyển đổi dioxit carbon từ các lò đốt rác, nhà máy phát điện.

Nghiên cứu của Panasonic đã được trình bày một phần tại Hội nghị Quốc tế về Chuyển đổi và Lưu trữ Năng lượng Mặt trời lần thứ 19 được tổ chức ở Pasadena (Mỹ) hôm 30/7/2012.