Tổng hợp thành công hydrogen từ ánh sáng và chất béo với giá rẻ - Một bước tiến mạnh mẽ cho việc thay thế nhiên liệu hóa thạch

Một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ, bao gồm các nhà khoa học MIPT đã lắp ráp được một cấu trúc sinh học kích thước nano, có khả năng sản xuất ra hydrogen từ nước sử dụng ánh sáng. Họ chèn một protein nhạy sáng vào các đĩa nano - các mảnh hình tròn của màng tế bào tạo nên từ một lớp chất béo - và tăng cường cấu trúc của chất tạo thành với các hạt Titanium Dioxide, một chất xúc tác quang học. Kết quả của nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí ACS Nano.

Giáo sư Vladimir Chupin, người đứng đầu Phòng Thí nghiệm về Hóa học và Vật lý về Chất béo tại Trung tâm Nghiên cứu của MIPT về các Cơ chế Phân tử cho lão hóa và các bệnh liên quan đến tuổi tác, cho biết.

“Phòng thí nghiệm của chúng tôi đang làm việc với các protein lớp màng, đặc biệt với các đĩa kích thước nano, phần lớn được tập trung vào các vấn đề lý sinh học và dược học. Tuy nhiên, việc hợp tác nghiên cứu gần đây với các đồng nghiệp người Mỹ của chúng tôi cho thấy rằng, bằng việc kết hợp các vật liệu sinh học và kỹ thuật, các đĩa nano có thể được sử dụng để thu được nhiên liệu hydrogen.”

Sản xuất nhiên liệu Hydrogen

Hydrogen là một trong những nguồn năng lượng thay thế sạch nhất hiện nay. Khi đốt, nó chỉ sản sinh ra hơi nước. Hơn nữa, với hiệu quả của nhiên liệu hydrogen lên tới 45% hoặc hơn nữa, lớn hơn nhiều khi so với xăng hay nhiên liệu diesel. Cho dù các nhà sản xuất ô tô chính, ví dụ như Toyota, Honda và BMW, đã bắt đầu sản xuất các xe ô tô chạy bằng hydrogen, nhưng sản lượng của họ vẫn rất khiêm tốn.

Tạo ra hydrogen vẫn rất tốn kém, phần lớn là do việc tiêu tốn năng lượng cao trong quá trình sản xuất. Vì nguyên nhân này, các nhà nghiên cứu đang tìm nhiều cách để tạo ra loại nhiên liệu này bằng cách dựa vào các nguồn năng lượng thay thế khác.

Hydrogen cũng có thể sản xuất từ nước bằng ánh sáng mặt trời. Quá trình này đòi hỏi một hợp chất đặc biệt được gọi là xúc tác quang học. Titanium Oxide là một trong những chất được sử dụng rộng rãi nhất. Cho dù vậy, khó có thể xem nó là chất xúc tác quang học hiệu quả nhất, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nỗ lực để nâng cao hiệu suất của nó bằng cách nghiền nó xuống kích thước nano hoặc bổ sung các tạp chất khác.

Bằng cách sử dụng năng lượng của proton (H ), các nhà khoa học tạo ra phân tử mang năng lượng ATP từ ADP (adenosine diphosphate) và Pi (phosphate vô cơ). Lớp chất béo được hiển thị với màu xanh.

Cuối cùng, các nhà khoa học tại Phòng Thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois, Mỹ, đã chuyển sang sử dụng sinh vật, và tạo nên một cấu trúc nano từ Titanium Dioxide và một protein lớp màng được gọi là bacteriorhodopsin. Bằng cách tăng cường hiệu suất của từng chất cấu thành, hai bộ phận nhạy sáng hình thành nên một hệ thống mới với khả năng vượt xa các chất hợp thành nên nó.

Protein nhạy sáng Bacteriorhodopsin là phần làm nên lớp màng cho một số tế bào vi khuẩn. Ánh sáng mặt trời làm bacteriorhodopsin nhả proton - các hạt mang điện dương - ra ngoài tế bào, cho phép tế bào tổng hợp năng lượng dưới dạng Adenosine TriPhosphate (ATP).

Tổng hợp nhân tạo protein của sự sống

Các nhà nghiên cứu giờ có thể tổng hợp tế bào sự sống này một cách nhân tạo, không cần có sự tham gia của tế bào sinh vật nào. Vì vậy, các protein lớp màng chức năng có thể thu được bằng cách sử dụng chất trung gian để bắt chước môi trường tự nhiên của protein.

Và giữa vô vàn các chất trung gian hiện có, các nhà khoa học đã tìm đến các đĩa nano – các mảnh màng tế bào tạo nên từ PhosphoLipid (hợp chất tạo nên từ axit béo và axit Phosphoric và một loại nitrogenous) và được hai phân tử protein bao quanh trong việc hình thành chuỗi protein kép. Kích thước của đĩa nano này phụ thuộc vào chiều dài của hai protein giống như vành đai này.

Hình dạng của bacteriorhodopsin.

Với vai trò là protein chất màng, bacteriorhodopsin phải nằm trong một màng tế bào và vì vậy cũng sẽ nằm trong một đĩa nano, tạo nên một cấu trúc tuyệt vời được thiết kế để duy trì cấu trúc protein tự nhiên.

Các đĩa nano đã từng được sử dụng để nghiên cứu các cấu trúc protein chất màng, phát triển các tác nhân ý khoa, và đang được sử dụng cho mục đích làm chất xúc tác ánh sáng. Được hỗ trợ bởi các nhà khoa học vật liệu của MIPT, các nhà nghiên cứu đã thu được các đĩa nano với đường kính 10nm, và chứa bacteriorhodopsin bên trong.

Cuối cùng họ đã tạo ra hydrogen

Nhóm nghiên cứu hòa tan các đĩa nano vào nước, cùng với các hạt Titanium Dioxide. Họ bổ sung thêm Platinum, bởi vì nó làm chất xúc tác quang học hiệu quả hơn. Giữ nguyên hỗn hợp đó qua đêm, các đĩa nano sẽ bị mắc kẹt trong các hạt xúc tác. Bacteriorhodopsin – với vai trò máy bơm proton – sẽ lan rộng gấp đôi như một chiếc ăng ten.

Các đĩa nano của chất béo.

Nó thu giữ ánh sáng và chuyển năng lượng đó vào các hạt Titanium Dioxide, gia tăng độ nhậy với ánh sáng của chất đó. Thêm vào đó, bacteriorhodopsin thực hiện chức năng thông thường của nó trong việc hoán đổi các hạt proton, sản sinh ra hydrogen nhờ vào chất xúc tác platinum.

Bởi vì nó lấy các hạt electron để làm giảm các hạt proton, các nhà nghiên cứu phải bổ sung Methanol vào trong dung dịch để đóng vài trò như một nguồn hỗ trợ electron. Khi hỗn hợp này được chiếu ánh sáng xanh lá cây, nó sản sinh ra lượng hydrogen nhiều gấp 74 lần so với chiếu ánh sáng trắng. Tính trung bình, lượng hydrogen sản sinh được duy trì với tốc độ gần như không đổi trong ít nhất từ 2 đến 3 giờ.

Cho dù các thí nghiệm với cấu trúc nano tương tự đã từng được tiến hành trước đây, nhưng lúc đó các nhà nghiên cứu sử dụng bacteriorhodopsin trong màng tế bào tự nhiên. Giờ khi thay thế nó với các đĩa nano, các nhà nghiên cứu không chỉ sản sinh ra nhiều hydrogen hơn, mà còn chỉ cần lượng bacteriorhodopsin ít hơn so với lượng Titanium Dioxide tương đương.

Nhóm nghiên cứu cho rằng điều này có thể là do đặc tính của các đĩa nano nhỏ gọn và đồng nhất để tiếp xúc đồng đều hơn với các hạt chất xúc tác. Cho dù hiện tại, bacteriorhodopsin tự nhiên vẫn là sự lựa chọn rẻ hơn, nhưng có thể sự phát triển của các phương pháp tổng hợp nhân tạo sẽ sớm làm các đĩa nano trở nên khả thi hơn.

Theo Phys.org