VINACHEM

Pin nhiên liệu là công nghệ chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng thông qua phản ứng giữa hydro và oxy. Tuy được coi là công nghệ sạch vì không phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính, nhưng pin nhiên liệu thường phải sử dụng những xúc tác kim loại đắt tiền như platin cho quá trình oxy hóa hydro và khử oxy, vì vậy giá thành sản xuất rất cao khiến cho phạm vi ứng dụng bị hạn chế.

Trong những năm gần đây, việc phát hiện các chất xúc tác sinh học đã làm sống lại mối quan tâm đối với pin nhiên liệu. Đó là những enzym với những tính chất độc đáo, có hoạt tính chuyển hóa hydro và oxy tương đương như platin. Nhưng do hoạt tính của enzym hydrogenaza bị oxy ức chế nên enzym này cho đến nay vẫn chưa thích hợp để sử dụng trong pin nhiên liệu.

Vừa qua, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Marseille (Pháp) đã đạt được một kỳ tích là chế tạo pin nhiên liệu sinh học sử dụng enzym cũng có hiệu quả như pin nhiên liệu sử dụng xúc tác platin. Trong tương lai, pin nhiên liệu sinh học này có tiềm năng sẽ thay thế cho pin nhiên liệu platin đắt tiền.

Các nhà nghiên cứu nói trên đã phát triển một thế hệ pin nhiên liệu sinh học kiểu mới, dựa trên những kết quả nghiên cứu từ một số năm nay. Họ thay thế xúc tác kim loại (platin) bằng enzym vi khuẩn: ở anôt là hydrogenaza (enzym quan trọng cho quá trình chuyển hóa hydro ở nhiều loại vi sinh vật), còn ở catôt là bilirubin oxidaza. Họ đã xác định được một loại hydrogenaza có thể hoạt động trong môi trường oxy và chịu được tác động của một số chất ức chế platin (như CO). Hợp tác với Trung tâm nghiên cứu Paul Pascal tại ĐHTH Bordeaux (Pháp), các nhà nghiên cứu tại ĐHTH Marseille cũng đã và đang xác định những loại enzym bền nhiệt, có thể chịu được nhiệt độ trong phạm vi 25-80oC.

Nhưng vẫn còn hai cản trở lớn khi đưa những quá trình sinh học nói trên từ phòng thí nghiệm lên quy mô sản xuất công nghiệp. Thiết bị nguyên mẫu ban đầu năm 2014 của các nhà khoa học Pháp bị hạn chế bởi công suất điện thấp và độ bền của enzym không cao. Họ cần phải mở rộng quy mô của thiết bị mà vẫn duy trì hoạt tính của enzym và bảo vệ chúng trước các chất ức chế. Một vấn đề lớn khác là giảm chi phí sản xuất, vì vậy cần phải giảm xuống tối thiểu lượng enzym cần sử dụng. Tất cả những vấn đề này đòi hỏi phải có những nghiên cứu cơ bản đa ngành để làm sáng tỏ những yếu tố hạn chế hiệu quả của chất xúc tác sinh học.

Bằng cách kết hợp hai loại enzym bền nhiệt trong một cấu trúc cacbon, các nhà khoa học Pháp đã giải quyết được cả ba vấn đề trên. Họ đưa vật liệu cacbon với lỗ xốp điều chỉnh thích hợp vào cấu trúc chính lưu giữ enzym, vì vậy bảo vệ enzym trước các tác nhân hóa học có thể làm thay đổi hoạt tính của enzym trong quá trình khử oxy. Nhờ đó, pin nhiên liệu có thể hoạt động nhiều ngày mà không giảm hiệu suất.

Nhờ sử dụng cấu trúc có thể kiểm soát như trên và các tính chất nội sinh của enzym, các nhà khoa học cho thấy các chất xúc tác sinh học của họ đạt hiệu quả tương đương xúc tác platin khi tạo ra dòng điện.

Pin nhiên liệu sinh học như trên có tiềm năng sẽ thay thế cho các loại pin nhiên liệu thông thường hiện nay. Hơn nữa, người ta có thể sử dụng nguyên liệu có thể tái sinh là sinh khối để cung cấp cả nhiên liệu hydro và chất xúc tác enzym cho pin nhiên liệu sinh học.

HV

Theo ScienceDaily, 9/2017