Quang hợp là quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Oxy được tạo ra như là sản phẩm phụ của quá trình quang hợp khi nước hấp thụ bởi thực vật. Đây là một trong những phản ứng quan trọng nhất trên hành tinh vì nó là nguồn gốc của gần như tất cả oxy trên thế giới. Hydro được tạo ra khi nước bị phân tách có thể là một nguồn năng lượng tái tạo xanh và không giới hạn.

Một nghiên cứu mới, do các học giả tại Trường Đại học St John dẫn đầu đã sử dụng sự quang hợp bán nhân tạo để khám phá những cách thức mới để sản xuất và lưu trữ năng lượng mặt trời. Họ sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên để biến đổi nước thành hydro và oxy bằng cách sử dụng hỗn hợp các thành phần sinh học và công nghệ nhân tạo.

Nghiên cứu có thể được sử dụng để cách mạng hóa các hệ thống được sử dụng để sản xuất năng lượng tái tạo. Bài báo mới được công bố trên tờ Nature Energy đã giải thích cách thức các học giải tại Phòng thí nghiệm Reisner ở Cambridge phát triển nền tảng nghiên cứu của họ để đạt được sự phân tách nước bằng năng lượng mặt trời.

Phương pháp của họ cũng sắp xếp để đạt được sự hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn so với quang hợp tự nhiên.

Katarzyna Sokół, tác giả đầu tiên và nghiên cứu sinh tại Trường St John's College, cho biết: Quá trình quang hợp tự nhiên không hiệu quả bởi vì quá trình này tiến hóa đơn thuần để tồn tại nên nó đã tiến hóa theo hướng làm cho lượng năng lượng cần thiết giữ ở mức tối thiểu - chỉ vào khoảng 1-2% được chuyển đổi và lưu trữ.

Sự quang hợp nhân tạo đã tồn tại trong nhiều thập kỷ nhưng nó vẫn chưa được sử dụng thành công để tạo ra năng lượng tái tạo vì nó dựa vào việc sử dụng các chất xúc tác, các chất này thường đắt tiền và độc hại. Điều này có nghĩa là nó vẫn chưa được sử dụng để mở rộng các phát hiện ở cấp độ công nghiệp.

Nghiên cứu của Cambridge là một phần của lĩnh vực quang hợp bán nhân tạo mới nổi nhằm khắc phục những hạn chế của quá trình quang hợp hoàn toàn nhân tạo bằng cách sử dụng các enzym để tạo ra phản ứng mong muốn.

Sokół và nhóm các nhà nghiên cứu không chỉ cải thiện về lượng năng lượng được sản xuất và lưu trữ, họ đã quản lý để kích hoạt lại một quá trình trong loài tảo, quá trình này đã dừng hoạt động trong thiên niên kỷ.

Cô giải thích: Hydrogenase là một loại enzyme có trong tảo có khả năng làm giảm proton thành hydro. Trong quá trình tiến hóa, quá trình này đã bị ngừng hoạt động vì nó không cần thiết cho sự sống, nhưng chúng tôi đã thành công trong việc kích hoạt lại quá trình này để đạt được phản ứng mà chúng tôi muốn - tách nước thành hydro và oxy.

Sokół hy vọng những phát hiện này sẽ cho phép các hệ thống mô hình sáng tạo mới để chuyển đổi năng lượng mặt trời được phát triển.

Cô nói thêm: Thật thú vị khi chúng tôi có thể lựa chọn các quy trình mà chúng tôi muốn, và đạt được phản ứng mà chúng tôi muốn, điều mà tự nhiên không làm được. Đây có thể là một nền tảng tuyệt vời để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời. Cách tiếp cận này có thể được sử dụng để kết hợp các phản ứng khác với nhau để xem những gì có thể được thực hiện, học hỏi từ những phản ứng này và sau đó xây dựng các công nghệ năng lượng mặt trời tổng hợp, mạnh mẽ hơn.

Đây là mô hình đầu tiên sử dụng thành công hydrogenase và hệ thống quang II để tạo ra quang hợp bán nhân tạo hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời.

TS Erwin Reisner, Trưởng phòng thí nghiệm Reisner, thành viên của trường Đại học St John's, Đại học Cambridge, và một trong những tác giả của bài báo đã mô tả nghiên cứu này như là một 'cột mốc'.

Ông giải thích: Công việc này vượt qua nhiều thách thức khó khăn liên quan đến việc tích hợp các thành phần sinh học và hữu cơ vào vật liệu vô cơ để lắp ráp các thiết bị bán nhân tạo và mở ra một hộp công cụ để phát triển các hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời trong tương lai.