Quang hợp nhân tạo (Artificial Photosynthesis)

Cơ chế hoạt động cơ bản

Quá trình quang hợp nhân tạo thường cố gắng mô phỏng hai giai đoạn chính của quang hợp tự nhiên:

1. Phản ứng phụ thuộc ánh sáng (Light-dependent reactions): Giai đoạn này liên quan đến việc hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời bởi một vật liệu nhạy sáng (chất xúc tác quang – photocatalyst). Năng lượng này sau đó được sử dụng để thực hiện phản ứng phân tách nước (water splitting):
   $$ 2H_2O xrightarrow{ánh sáng, xúc tác} O_2 + 4H^+ + 4e^- $$
   Trong phản ứng này, nước bị oxy hóa để tạo ra khí oxy ($O_2$), proton ($H^+$) và electron ($e^-$). Đây là một bước quan trọng vì nó cung cấp các electron và proton cần thiết cho giai đoạn tiếp theo và giải phóng oxy như một sản phẩm phụ.
2. Phản ứng không phụ thuộc ánh sáng (Light-independent reactions – tương tự Chu trình Calvin): Trong giai đoạn này, các electron ($e^-$) và proton ($H^+$) được tạo ra từ quá trình phân tách nước (hoặc từ nguồn khác trong một số thiết kế) được sử dụng để khử carbon dioxide ($CO_2$) thành nhiên liệu hoặc các hợp chất hữu cơ khác. Phản ứng này cần có chất xúc tác khử (reduction catalyst). Ví dụ, để tạo ra metan ($CH_4$):
   $$ CO_2 + 8H^+ + 8e^- xrightarrow{xúc tác} CH_4 + 2H_2O $$
   Hoặc để tạo ra hydro ($H_2$), các proton và electron có thể kết hợp trực tiếp (thường được xem là một phần của hệ thống phân tách nước hơn là khử $CO_2$):
   $$ 2H^+ + 2e^- xrightarrow{xúc tác} H_2 $$

Các hệ thống quang hợp nhân tạo có thể được thiết kế dưới dạng tế bào quang điện hóa (photoelectrochemical cell – PEC), nơi các điện cực nhạy sáng thực hiện các phản ứng khi được chiếu sáng và nhúng trong dung dịch điện giải, hoặc dưới dạng các hệ thống dựa trên hạt xúc tác quang lơ lửng trong dung dịch.

Các hướng nghiên cứu chính

Nghiên cứu về quang hợp nhân tạo tập trung vào việc vượt qua các thách thức về hiệu quả, độ bền và chi phí. Các hướng chính bao gồm:

1. Phát triển chất xúc tác quang (Photocatalyst Development): Tìm kiếm và tối ưu hóa các vật liệu bán dẫn có khả năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời (đặc biệt là ánh sáng khả kiến), tạo ra các cặp electron-lỗ trống và có độ bền cao trong môi trường phản ứng. Các vật liệu tiềm năng bao gồm oxit kim loại (như $TiO_2$, $Fe_2O_3$), vật liệu perovskite, chấm lượng tử (quantum dots), và các phức chất kim loại chuyển tiếp.
2. Phát triển chất xúc tác cho phân tách nước (Water Splitting Catalysts): Thiết kế các chất xúc tác hiệu quả và bền vững cho cả phản ứng oxy hóa nước (Oxygen Evolution Reaction – OER) và phản ứng tạo hydro (Hydrogen Evolution Reaction – HER). Các xúc tác OER thường dựa trên các oxit kim loại như Iridium ($IrO_2$) hoặc Ruthenium ($RuO_2$) (đắt tiền) hoặc các kim loại phi quý như Niken (Ni), Sắt (Fe), Coban (Co). Xúc tác HER hiệu quả nhất là Platin (Pt), nhưng nghiên cứu tập trung vào các vật liệu thay thế rẻ hơn như Molypden Sulfua ($MoS_2$).
3. Phát triển chất xúc tác khử CO2 (CO2 Reduction Catalysts): Tạo ra các chất xúc tác có khả năng khử $CO_2$ một cách chọn lọc thành các sản phẩm mong muốn (ví dụ: $CH_4$, $CH_3OH$, $CO$, $HCOOH$) với hiệu suất cao và sử dụng ít năng lượng đầu vào nhất có thể. Đồng (Cu) là một kim loại thú vị vì nó có thể tạo ra nhiều sản phẩm hydrocarbon và alcohol khác nhau, nhưng việc kiểm soát tính chọn lọc là một thách thức.
4. Thiết kế hệ thống và tích hợp (System Design and Integration): Xây dựng các thiết bị hoàn chỉnh tích hợp hiệu quả các thành phần hấp thụ ánh sáng, tách điện tích, vận chuyển điện tích và xúc tác. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa cấu trúc của các tế bào quang điện hóa, màng ngăn, và các hệ thống dòng chảy.
5. Tăng cường hiệu quả và độ bền (Improving Efficiency and Durability): Nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu (solar-to-fuel efficiency), hiện vẫn còn thấp so với mục tiêu thương mại hóa. Đồng thời, tăng cường độ bền của các vật liệu và hệ thống để chúng có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài dưới điều kiện khắc nghiệt (ánh sáng mặt trời, môi trường nước/dung môi).

Những hiểu biết chính cần nắm

• Mục tiêu: Tạo ra nhiên liệu sạch và hóa chất có giá trị từ các nguồn tài nguyên dồi dào (ánh sáng mặt trời, nước, $CO_2$).
• Nguyên tắc: Mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên nhưng thường hướng đến sản phẩm khác (nhiên liệu thay vì sinh khối/glucose) và tiềm năng hiệu suất cao hơn.
• Thành phần cốt lõi: Chất hấp thụ ánh sáng (photocatalyst/semiconductor), chất xúc tác oxy hóa nước (OER catalyst), và chất xúc tác khử $CO_2$ hoặc tạo hydro (CO2RR/HER catalyst).
• Đầu vào: Ánh sáng mặt trời (năng lượng), Nước ($H_2O$), Carbon Dioxide ($CO_2$).
• Đầu ra: Nhiên liệu (ví dụ: $H_2$, $CH_4$, $CH_3OH$) hoặc Hóa chất ($CO$, $HCOOH$), và Oxy ($O_2$).
• Thách thức lớn: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp, độ bền của vật liệu xúc tác và hệ thống, chi phí sản xuất cao, và tính chọn lọc sản phẩm trong phản ứng khử $CO_2$.
• Tiềm năng: Cung cấp một giải pháp bền vững cho năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính ($CO_2$) và tạo ra các hóa chất cơ bản từ nguồn phi hóa thạch.

Quang hợp nhân tạo vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn mang lại những đóng góp quan trọng cho an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường trong tương lai.

Các loại hệ thống quang hợp nhân tạo

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để thiết kế hệ thống quang hợp nhân tạo, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng:

1. Tế bào quang điện hóa (Photoelectrochemical Cells – PECs):
   • Cấu tạo: Bao gồm một hoặc hai điện cực bán dẫn (photoelectrode) nhúng trong dung dịch điện giải và kết nối với một đối điện cực (counter electrode), đôi khi có thêm điện cực tham chiếu. Ánh sáng chiếu vào điện cực bán dẫn sẽ tạo ra các cặp electron-lỗ trống ($e^-/h^+$).
   • Hoạt động: Tùy thuộc vào loại bán dẫn và cấu hình, photoanode (thường là bán dẫn loại n) sẽ sử dụng lỗ trống ($h^+$) để oxy hóa nước ($$2H_2O + 4h^+ rightarrow O_2 + 4H^+$$), trong khi electron ($e^-$) di chuyển qua mạch ngoài đến đối điện cực để thực hiện phản ứng khử (ví dụ: tạo $H_2$: $$2H^+ + 2e^- rightarrow H_2$$). Nếu sử dụng photocathode (thường là bán dẫn loại p), nó sẽ dùng electron ($e^-$) để khử $H^+$ hoặc $CO_2$, còn lỗ trống ($h^+$) di chuyển đến đối điện cực để oxy hóa nước.
   • Ưu điểm: Có khả năng tách biệt không gian giữa nơi tạo ra $O_2$ và $H_2$ (hoặc sản phẩm khử $CO_2$), giúp thu thập sản phẩm dễ dàng và an toàn hơn. Cho phép tích hợp các xúc tác hiệu quả cao lên các điện cực riêng biệt.
   • Nhược điểm: Thiết kế phức tạp hơn, chi phí chế tạo có thể cao, các vấn đề về độ bền của điện cực trong dung dịch điện giải và sự ăn mòn quang hóa.
2. Hệ thống xúc tác quang dạng hạt (Particulate Photocatalyst Systems):
   • Cấu tạo: Các hạt vật liệu xúc tác quang (thường là bán dẫn có kích thước micro hoặc nano mét) được phân tán trực tiếp trong dung dịch phản ứng (ví dụ: nước có chứa $CO_2$ hoặc chất cho điện tử hy sinh).
   • Hoạt động: Khi được chiếu sáng, mỗi hạt (hoặc hỗn hợp các loại hạt khác nhau) tự hấp thụ photon, tạo cặp $e^-/h^+$, và thực hiện cả phản ứng oxy hóa và khử trên bề mặt của nó (hoặc thông qua tiếp xúc giữa các hạt). Ví dụ, một hạt có thể có vùng oxy hóa nước và vùng khử $H^+$ hoặc $CO_2$.
   • Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, tiềm năng chi phí sản xuất thấp, dễ dàng mở rộng quy mô thành các lò phản ứng dạng bùn (slurry reactors).
   • Nhược điểm: Sản phẩm ($O_2$ và $H_2$) tạo ra cùng một chỗ, tạo thành hỗn hợp có nguy cơ cháy nổ và khó tách riêng. Hiệu suất thường thấp hơn do sự tái hợp nhanh chóng của electron và lỗ trống trên cùng một hạt.
3. Hệ thống phân tử (Molecular Systems):
   • Cấu tạo: Sử dụng các phức chất phân tử được thiết kế đặc biệt để hấp thụ ánh sáng (photosensitizers) và/hoặc xúc tác cho các phản ứng oxy hóa/khử. Các phân tử này có thể hòa tan trong dung dịch hoặc được cố định trên bề mặt vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn.
   • Hoạt động: Chất nhạy quang hấp thụ ánh sáng, chuyển sang trạng thái kích thích, sau đó chuyển năng lượng hoặc electron cho phân tử xúc tác để thực hiện phản ứng mong muốn.
   • Ưu điểm: Cho phép tinh chỉnh cấu trúc và tính chất điện tử ở cấp độ phân tử để tối ưu hóa hiệu suất và nghiên cứu cơ chế phản ứng một cách chi tiết.
   • Nhược điểm: Độ bền của các hệ thống phân tử thường là một thách thức lớn, đặc biệt dưới điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Khó khăn trong việc tích hợp thành thiết bị quy mô lớn.
4. Hệ thống lai (Hybrid Systems):
   • Kết hợp các yếu tố từ các hệ thống trên. Ví dụ: gắn các chất xúc tác phân tử lên bề mặt điện cực bán dẫn trong tế bào PEC để cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc; hoặc kết hợp tế bào quang điện (PV cell) tạo ra điện năng với một máy điện phân (electrolyzer) thông thường (PV-electrolysis) – đây đôi khi cũng được xem là một dạng quang hợp nhân tạo gián tiếp.

So sánh với quang hợp tự nhiên

Quang hợp nhân tạo không nhằm thay thế hoàn toàn quang hợp tự nhiên mà là cung cấp một con đường công nghệ bổ sung để khai thác năng lượng mặt trời, đặc biệt là để sản xuất nhiên liệu lỏng hoặc khí một cách trực tiếp và hiệu quả hơn.

Đo lường và đánh giá hiệu suất

Để đánh giá và so sánh các hệ thống quang hợp nhân tạo khác nhau, một số thông số chính được sử dụng:

• Hiệu suất Lượng tử (Quantum Yield – QY): Là tỷ số giữa số electron được sử dụng trong phản ứng hóa học (tính từ lượng sản phẩm tạo thành) và số photon tới hoặc photon được hấp thụ bởi hệ thống tại một bước sóng cụ thể.
  • Hiệu suất lượng tử bên ngoài (External Quantum Efficiency – EQE): $ EQE = (text{số electron phản ứng} / text{số photon tới}) $. EQE cho biết hiệu quả tổng thể của hệ thống ở một bước sóng nhất định.
  • Hiệu suất lượng tử bên trong (Internal Quantum Efficiency – IQE): $ IQE = (text{số electron phản ứng} / text{số photon hấp thụ}) $. IQE cho biết hiệu quả của quá trình sau khi photon đã được hấp thụ, loại bỏ yếu tố tổn thất do phản xạ hoặc truyền qua.
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu (Solar-to-Fuel – STF): Đây là chỉ số quan trọng nhất, thể hiện tỷ lệ phần trăm năng lượng hóa học được lưu trữ trong nhiên liệu tạo thành so với tổng năng lượng của ánh sáng mặt trời chiếu vào thiết bị.
  $$ STF (%) = frac{P_{fuel}}{P_{solar}} times 100% = frac{j times V_{eq}}{P_{solar}} times text{FE} times 100% $$
  Trong đó $P_{fuel}$ là công suất hóa học của nhiên liệu (ví dụ: tốc độ tạo nhiên liệu nhân với năng lượng Gibbs tự do của phản ứng hoặc thế điện hóa tương đương $V_{eq}$), $P_{solar}$ là công suất của ánh sáng mặt trời tới (thường chuẩn hóa theo phổ AM1.5G, 100 mW/cm²), $j$ là mật độ dòng quang điện, và FE (Faradaic Efficiency) là hiệu suất Faradaic, cho biết tỷ lệ electron thực sự tham gia tạo ra sản phẩm mong muốn so với tổng số electron chạy qua mạch.
• Độ bền (Stability/Durability): Khả năng duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống trong một khoảng thời gian dài dưới điều kiện chiếu sáng liên tục. Thường được đo bằng thời gian hoạt động trước khi hiệu suất giảm xuống một mức nhất định (ví dụ: 80% giá trị ban đầu).
• Tính chọn lọc sản phẩm (Product Selectivity): Đặc biệt quan trọng đối với phản ứng khử $CO_2$, vì có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau ($CO, HCOOH, CH_4, C_2H_4, CH_3OH,$…). Tính chọn lọc cao đối với một sản phẩm duy nhất là mong muốn để đơn giản hóa quá trình tách và tinh chế.

Tài liệu tham khảo

1. Lewis, N. S., & Nocera, D. G. (2006). Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 103(43), 15729-15735. (Bài báo tổng quan nền tảng)
2. Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A., & Lewis, N. S. (2010). Solar water splitting cells. Chemical Reviews, 110(11), 6446-6473. (Tổng quan về tế bào PEC phân tách nước)
3. Kudo, A., & Miseki, Y. (2009). Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chemical Society Reviews, 38(1), 253-278. (Tổng quan về vật liệu xúc tác quang dạng hạt)
4. Benson, E. E., Kubiak, C. P., Sathrum, A. J., & Smieja, J. M. (2009). Electrocatalytic and homogeneous approaches to conversion of $CO_2$ to liquid fuels. Chemical Society Reviews, 38(1), 89-99. (Tổng quan về xúc tác khử CO2)
5. Reece, S. Y., Hamel, J. A., Sung, K., Jarvi, T. D., Esswein, A. J., Pijpers, J. J., & Nocera, D. G. (2011). Wireless solar water splitting using silicon-based semiconductors and earth-abundant catalysts. Science, 334(6056), 645-648. (Ví dụ về một hệ thống “lá nhân tạo”)
6. Ager, J. W., Stevens, M. R., & Miller, E. L. (2015). Fuel from sunlight: requirements and prospects forartzficial photosynthesis systems. MRS Communications, 5(1), 9-21. (Thảo luận về yêu cầu và triển vọng)
7. Roger, I., Shipman, M. A., & Symes, M. D. (2017). Earth-abundant catalysts for electrochemical and photoelectrochemical water splitting. Nature Reviews Chemistry, 1(1), 0003. (Tổng quan về xúc tác từ nguyên tố phổ biến)

Câu hỏi và Giải đáp

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu (STF – Solar-to-Fuel) hiện tại của các hệ thống quang hợp nhân tạo tiên tiến nhất là bao nhiêu, và đâu là những yếu tố chính (nút cổ chai) hạn chế hiệu suất này?

Trả lời: Hiệu suất STF kỷ lục được báo cáo cho các hệ thống quang hợp nhân tạo trực tiếp (ví dụ: tế bào quang điện hóa – PEC hoặc hệ thống hạt) thường nằm trong khoảng từ vài phần trăm đến khoảng 10%. Các hệ thống gián tiếp kết hợp pin mặt trời (PV) hiệu suất cao với máy điện phân (PV-electrolysis) có thể đạt STF trên 15-20% cho sản xuất hydro ($H_2$). Những yếu tố chính hạn chế hiệu suất bao gồm:

1. Hiệu quả hấp thụ ánh sáng: Vật liệu bán dẫn không hấp thụ toàn bộ phổ ánh sáng mặt trời hoặc không sử dụng hiệu quả các photon năng lượng cao.
2. Tổn thất do tái hợp điện tích: Electron và lỗ trống được tạo ra bởi ánh sáng có thể tái hợp với nhau trước khi chúng đến được vị trí xúc tác để thực hiện phản ứng hóa học.
3. Thế quá áp (Overpotential) xúc tác: Cần một năng lượng bổ sung (thế quá áp) để thúc đẩy các phản ứng phân tách nước (OER) và khử ($H_2$ hoặc $CO_2$) xảy ra với tốc độ đủ nhanh, năng lượng này bị mất đi dưới dạng nhiệt. Phản ứng OER ($$2H_2O rightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-$$) thường đòi hỏi thế quá áp lớn và là một nút cổ chai đáng kể.
4. Tổn thất điện trở: Sự di chuyển của ion trong dung dịch điện giải và electron trong vật liệu bán dẫn/mạch ngoài gây ra tổn thất năng lượng.
5. Độ bền và sự suy giảm hiệu suất: Vật liệu có thể bị ăn mòn quang hóa hoặc chất xúc tác bị mất hoạt tính theo thời gian, làm giảm hiệu suất tổng thể.

Ngoài các vật liệu quý hiếm như Platin (Pt) hay Iridium (Ir), những loại vật liệu xúc tác ‘phổ biến trong vỏ Trái Đất’ (earth-abundant) nào đang cho thấy tiềm năng lớn nhất cho cả phản ứng phân tách nước (OER/HER) và khử $CO_2$?

Trả lời: Nghiên cứu đang tập trung mạnh mẽ vào các vật liệu xúc tác từ nguyên tố phổ biến và rẻ tiền:

• Cho phản ứng oxy hóa nước (OER – Oxygen Evolution Reaction): Các oxit/hydroxide lớp kép dựa trên Niken (Ni) và Sắt (Fe) (ví dụ: NiFeOOH), các oxit/phosphide/sulfide của Coban (Co), Mangan (Mn) đang rất hứa hẹn do hoạt tính cao và chi phí thấp.
• Cho phản ứng tạo hydro (HER – Hydrogen Evolution Reaction): Các vật liệu như Molypden Sulfua ($MoS_2$), các phosphide, sulfide, carbide của kim loại chuyển tiếp như Niken (Ni), Coban (Co), Wolfram (W) đang được khám phá như những lựa chọn thay thế hiệu quả cho Pt.
• Cho phản ứng khử $CO_2$ (CO2 Reduction Reaction – CO2RR): Đồng (Cu) kim loại và các oxit của nó rất độc đáo vì có thể tạo ra nhiều sản phẩm hydrocarbon và alcohol ($CH_4, C_2H_4, C_2H_5OH,…$), nhưng khó kiểm soát tính chọn lọc. Thiếc (Sn) và Bismuth (Bi) thường tạo ra formate ($HCOO^-$) với hiệu suất Faradaic cao. Các vật liệu dựa trên carbon được biến tính (doped carbon), các khung hữu cơ-kim loại (MOFs), và các chất xúc tác đơn nguyên tử (single-atom catalysts) cũng đang được nghiên cứu tích cực để cải thiện hoạt tính và tính chọn lọc.

Tại sao việc kiểm soát tính chọn lọc sản phẩm trong quá trình khử $CO_2$ bằng quang hợp nhân tạo lại khó khăn đến vậy, và các nhà khoa học đang sử dụng những phương pháp nào để hướng phản ứng tạo ra một sản phẩm cụ thể (ví dụ: $CH_4$ hoặc $CH_3OH$)?

Trả lời: Việc kiểm soát tính chọn lọc khi khử $CO_2$ rất khó khăn vì:

1. Nhiều con đường phản ứng khả thi: Phân tử $CO_2$ có thể bị khử thành nhiều sản phẩm khác nhau ($CO, HCOOH, CH_4, CH_3OH, C_2H_4,…$) thông qua các con đường phản ứng liên quan đến việc truyền nhiều electron và proton ($$CO_2 + ne^- + mH^+ rightarrow text{sản phẩm} + xH_2O$$). Các con đường này thường có thế điện hóa khử khá gần nhau, khiến việc hướng phản ứng theo một con đường duy nhất trở nên phức tạp.
2. Cạnh tranh với phản ứng tạo hydro (HER): Trong môi trường nước, phản ứng HER ($$2H^+ + 2e^- rightarrow H_2$$) luôn xảy ra cạnh tranh với CO2RR, đặc biệt là ở các thế âm cần thiết cho việc khử $CO_2$.
3. Ảnh hưởng của bề mặt xúc tác và điều kiện phản ứng: Các sản phẩm trung gian hình thành và cách chúng liên kết với bề mặt chất xúc tác ảnh hưởng lớn đến sản phẩm cuối cùng. Điều này lại phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của chất xúc tác, thành phần dung dịch điện giải, pH cục bộ, mật độ dòng điện/thế áp dụng.

Các phương pháp để cải thiện tính chọn lọc bao gồm:

• Thiết kế chất xúc tác: Chế tạo vật liệu có cấu trúc bề mặt, khuyết tật, hoặc thành phần được kiểm soát chính xác để ưu tiên liên kết với các chất trung gian dẫn đến sản phẩm mong muốn.
• Kiểm soát môi trường phản ứng: Điều chỉnh pH, thành phần dung dịch điện giải, sử dụng dung môi hữu cơ hoặc chất lỏng ion để thay đổi động học phản ứng.
• Sử dụng cấu trúc nano: Tận dụng hiệu ứng lượng tử hoặc hiệu ứng hình thái của vật liệu nano để tăng cường tính chọn lọc.
• Điều khiển điện hóa: Áp dụng thế hoặc mật độ dòng điện cụ thể để ưu tiên một phản ứng nhất định.
• Sử dụng xúc tác phân tử: Thiết kế các phức chất kim loại có phối tử (ligand) được điều chỉnh để kiểm soát vị trí hoạt động và sản phẩm tạo thành.

Những thách thức kỹ thuật chính trong việc mở rộng quy mô các hệ thống quang hợp nhân tạo từ phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp là gì, đặc biệt đối với tế bào quang điện hóa (PEC) và hệ thống hạt lơ lửng?

Trả lời: Việc mở rộng quy mô đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật:

• Đối với tế bào quang điện hóa (PEC):
  • Chế tạo điện cực diện tích lớn: Khó khăn trong việc chế tạo các lớp bán dẫn và xúc tác đồng đều, không khuyết tật trên diện tích lớn với chi phí hợp lý.
  • Quản lý sản phẩm khí: Bong bóng khí $O_2$ và $H_2$ (hoặc sản phẩm khí từ $CO_2$) hình thành trên bề mặt điện cực có thể cản trở ánh sáng tới và làm giảm diện tích hoạt động. Cần thiết kế hệ thống hiệu quả để loại bỏ khí.
  • Độ bền và niêm phong: Đảm bảo các điện cực và toàn bộ tế bào có thể chịu được điều kiện vận hành lâu dài (ánh sáng, dung dịch điện giải, thay đổi nhiệt độ) và được niêm phong tốt để tránh rò rỉ.
  • Vận chuyển ion và điện trở: Trong các tế bào lớn, khoảng cách vận chuyển ion trong điện giải tăng lên, làm tăng tổn thất điện trở.
• Đối với hệ thống hạt lơ lửng (Particulate Systems):
  • Hiệu quả thu nhận ánh sáng: Trong dung dịch huyền phù đặc, các hạt phía trên che khuất ánh sáng tới các hạt phía dưới, làm giảm hiệu quả tổng thể. Cần thiết kế lò phản ứng tối ưu để phân phối ánh sáng đều.
  • Tách sản phẩm: Sản phẩm $O_2$ và $H_2$ (hoặc nhiên liệu khác) được tạo ra lẫn vào nhau trong dung dịch, tạo thành hỗn hợp có nguy cơ cháy nổ và đòi hỏi công nghệ tách phức tạp, tốn kém.
  • Thu hồi và tái sử dụng xúc tác: Việc thu hồi các hạt xúc tác nano/micro từ dung dịch sau phản ứng có thể khó khăn và tốn kém.
  • Độ ổn định cơ học và hóa học của hạt: Các hạt có thể bị kết tụ hoặc phân hủy trong quá trình khuấy trộn và phản ứng kéo dài.

Khi nào quang hợp nhân tạo có thể trở nên khả thi về mặt kinh tế để sản xuất nhiên liệu, và những mục tiêu về chi phí vật liệu, hiệu suất STF và tuổi thọ hệ thống cần đạt được là gì?

Trả lời: Tính khả thi kinh tế của quang hợp nhân tạo phụ thuộc rất nhiều vào chi phí sản xuất nhiên liệu cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác (nhiên liệu hóa thạch, hydro từ điện phân dùng năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học). Chưa có mốc thời gian chắc chắn, nhưng các chuyên gia thường đưa ra các mục tiêu cần đạt được:

• Hiệu suất STF: Cần đạt mức trên 10-15% một cách ổn định để có thể cạnh tranh. Hiệu suất cao hơn sẽ làm giảm diện tích cần thiết và chi phí vốn ban đầu.
• Tuổi thọ hệ thống (Độ bền): Hệ thống cần hoạt động ổn định trong ít nhất 5-10 năm, lý tưởng là 20 năm hoặc hơn, tương tự như các tấm pin mặt trời hiện nay, để khấu hao chi phí đầu tư ban đầu.
• Chi phí vật liệu và sản xuất: Phải sử dụng các vật liệu phổ biến, rẻ tiền và quy trình sản xuất có thể mở rộng quy mô với chi phí thấp. Chi phí tổng thể của hệ thống phải đủ thấp để giá nhiên liệu sản xuất ra (ví dụ: $/kg $H_2$) có thể cạnh tranh.
• Chi phí vận hành và bảo trì: Cần giữ ở mức tối thiểu.

Hiện tại, chi phí sản xuất hydro bằng quang hợp nhân tạo trực tiếp vẫn cao hơn đáng kể so với sản xuất hydro từ khí tự nhiên (hydro xám) hoặc từ điện phân dùng năng lượng tái tạo (hydro xanh lá cây). Cần có những đột phá đáng kể về cả hiệu suất, độ bền và chi phí vật liệu/sản xuất để quang hợp nhân tạo trở thành một lựa chọn kinh tế chủ đạo. Tuy nhiên, nó có thể trở nên khả thi sớm hơn cho các ứng dụng đặc thù hoặc ở những khu vực có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào và chi phí năng lượng truyền thống cao.