Mặc dù năng lượng tái tạo chiếm phần lớn trong sản xuất năng lượng của thế giới, nhưng các nhà khoa học cho rằng xu hướng tích tụ CO2 hiện nay trong khí quyển có thể diễn ra sớm hơn dự báo và gây hậu quả nghiêm trọng.

Một phương thức để kiểm soát phát thải độc hại là thu khí CO2 thải từ ống khói bằng các vật liệu như polime và xốp . Một số nhà khoa học thậm chí còn tiến xa hơn khi nghiên cứu công nghệ chuyển đổi CO2 thành các phụ phẩm như canxi carbonat hoặc nhiên liệu sinh học như methanol và isobutanol. Tuy nhiên, các hệ thống này chỉ đạt hiệu suất thấp hoặc đang trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu.

Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, các nhà khoa học đã thiết lập hệ thống sử dụng ánh nắng mặt trời và nước để chuyển đổi CO2 thành nhiều hóa chất có ích. Quang hợp nhân tạo không phải là khái niệm mới mà đã được áp dụng để tách nước thành hydro, oxy và axit formic tổng hợp, nhưng phương pháp mới tạo đột phá do tính linh hoạt và hiệu suất cao của hệ thống.

Peidong Yang, trưởng nhóm nghiên cứu nói: "Hệ thống của chúng tôi về cơ bản làm thay đổi ngành công nghiệp hóa chất và dầu mỏ, trong đó chúng tôi có thể sản xuất hóa chất và nhiên liệu theo hướng hoàn toàn tái tạo, mà không phải khai thác sâu dưới lòng đất".

Phát minh mới sử dụng 2 loại vi khuẩn khác nhau đặt xen kẽ trong các dãy dây nano silicon và titan. Các dây nano silicon đóng vai trò như một tấm pin mặt trời thu nhỏ, thu ánh nắng mặt trời và giải phóng các điện tử. Các điện tử này sau đó được hấp thụ bởi Sporomusa ovata, vi khuẩn kỵ khí kết hợp các điện tử với nước và biến đổi CO2 thành axetat - tiền chất hóa học đa năng. Trong khi đó, phần titan của cấu trúc mang điện tích dương còn lại ở vị trí của điện tử sẽ khai thác oxy từ nước. Vi khuẩn E.coli biến đổi gen sử dụng oxy để tổng hợp các hóa chất theo yêu cầu.

Mạng lưới dây nano cũng hoạt động như một lớp bảo vệ vi khuẩn, vì thế, các sinh vật thường nhạy cảm với oxy có thể sống sót trong các điều kiện môi trường bất lợi như khí thải ống khói.

Các nhà khoa học đã chứng minh hệ thống có thể biến đổi CO2 thành các hóa chất như nhiên liệu, polime và tiền chất thuốc. Hiệu suất chuyển đổi là 26% đối với butanol, 25% với amorphadiene, tiền chất của  artemisinin - thuốc chống sốt rét và 52% cho PHB - loại nhựa tái tạo và phân hủy sinh học, mặc dù có thể nâng cao hơn nữa các tỷ lệ đó trong tương lai.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời đạt mức 0,38% sau 200 giờ hệ thống được đặt dưới ánh nắng mặt trời mô phỏng, đây là mức mà các nhà nghiên cứu cho rằng gần bằng một chiếc lá thực. Nhưng, các nhà khoa học đang nghiên cứu cải thiện hiệu suất chuyển đổi.

Peidong Yang, trưởng nhóm nghiên cứu nói: "Chúng tôi đang nghiên cứu hệ thống thế hệ thứ hai có hiệu suất chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành hóa chất ở mức 3%. Công nghệ sẽ khả thi thương mại khi chúng tôi đạt hiệu suất chuyển đổi 10% theo hướng chi phí hiệu quả”.