Các phương tiện chạy bằng diesel tạo ra lượng khí thải carbon lớn, đặt ra thách thức trong việc đạt được mục tiêu giảm carbon. Theo báo cáo từ các phương tiện truyền thông quốc tế, nhóm nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật McKelvey tại Đại học Washington ở St. Louis, Đại học Missouri và Đại học Texas A&M đã sử dụng công nghệ điện xúc tác carbon dioxide (CO2) để sản xuất biodiesel điện, với hiệu suất cao hơn 45 lần so với sản xuất biodiesel dựa trên đậu nành, đồng thời diện tích cần thiết giảm 45 lần. Nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí Joule.
(Nguồn hình: cell.com)
Nhà nghiên cứu Joshua Yuan cho biết: “Ý tưởng đổi mới này có thể áp dụng trong kinh tế tuần hoàn, cho phép sản xuất nhiên liệu, hóa chất, vật liệu và thành phần thực phẩm có phát thải âm với hiệu suất vượt xa quang hợp, đồng thời giảm khí thải carbon so với các sản phẩm hóa thạch. Bằng cách hiểu rõ các hạn chế về chuyển hóa và sinh hóa khi sử dụng carbon hai nguyên tử, chúng tôi đã giải quyết một cách có hệ thống các thách thức trong sản xuất điện sinh học và vượt qua những giới hạn này.”
Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi carbon dioxide thành các hợp chất trung gian tương thích sinh học như acetate và ethanol thông qua quá trình điện xúc tác (phản ứng hóa học được kích hoạt bởi sự chuyển giao điện tử giữa các chất phản ứng trên bề mặt chất xúc tác). Những hợp chất trung gian này sau đó được vi sinh vật chuyển đổi thành lipid hoặc axit béo, cuối cùng trở thành nguyên liệu cho biodiesel.
Quy trình vi sinh vật và chất xúc tác mới có thể chuyển đổi carbon dioxide thành lipid, giúp biodiesel điện đạt được hiệu suất 4,5% năng lượng mặt trời sang phân tử (solar-to-molecule), cao hơn nhiều so với biodiesel thông thường. Yuan cho biết, quá trình quang hợp tự nhiên của cây trên cạn thường thấp hơn 1%, trong khi việc chuyển đổi CO2 thành các phân tử cây trồng cần thiết, thì dưới 1% năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành sinh khối thực vật. “Năng lượng chuyển đổi thành lipid tiền chất biodiesel thậm chí còn thấp hơn, vì lipid có mật độ năng lượng cao. Ngược lại, khi điện được sản xuất từ pin mặt trời để điều khiển quá trình điện xúc tác, quá trình biodiesel điện có thể chuyển đổi 4,5% năng lượng mặt trời thành lipid, cao hơn nhiều so với quá trình quang hợp tự nhiên.”
Để thúc đẩy quá trình điện xúc tác, nhóm đã thiết kế một chất xúc tác mới dựa trên kẽm và đồng, có khả năng tạo ra các hợp chất trung gian carbon hai nguyên tử, sử dụng chủng vi khuẩn RHA1 được biến đổi gen để chuyển hóa thành lipid. Chủng vi khuẩn này đã được biết đến là có khả năng sản xuất hàm lượng lipid cao; nó cũng nâng cao tiềm năng chuyển hóa ethanol, điều này giúp thúc đẩy chuyển đổi acetate trung gian thành axit béo.
Nhóm nghiên cứu đã phân tích tác động của quy trình biodiesel điện mới đối với biến đổi khí hậu và đã đạt kết quả tốt. Bằng cách sử dụng tài nguyên tái tạo cho quá trình điện xúc tác, quy trình này có thể giảm 1,57 gram CO2 cho mỗi gram biodiesel điện được sản xuất (được tạo ra từ biomassa, etylen và các sản phẩm phụ khác), do đó có tiềm năng phát thải âm. Ngược lại, trong phương pháp truyền thống sản xuất diesel từ dầu mỏ, mỗi gram lipid được sản xuất sẽ phát thải 0,52 gram CO2, trong khi phương pháp sản xuất biodiesel phát thải từ 2,5 đến 9,9 gram CO2 cho mỗi gram lipid.
Yuan cho biết: “Nghiên cứu này chứng minh một khái niệm phù hợp với nhiều nền tảng, có thể chuyển đổi hiệu quả năng lượng tái tạo thành hóa chất, nhiên liệu và vật liệu. Quy trình này có thể giải quyết vấn đề thiếu nguyên liệu cho biodiesel, giúp các lĩnh vực phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đạt được độc lập khỏi nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như trong các phương tiện hạng nặng di chuyển xa và máy bay, đồng thời thay đổi quy mô lớn việc sản xuất nhiên liệu, hóa chất và vật liệu tái tạo.”