Đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xã hội đã trở thành một thách thức khó khăn đối với nhân loại. Nhu cầu về năng lượng dự kiến sẽ tăng gần gấp đôi vào năm 2050, trong khi tác động của biến đổi khí hậu, gây ra bởi việc đốt nhiên liệu hóa thạch, đang tàn phá dưới hình thức hạn hán, cháy rừng, lũ lụt và các thảm họa khác. Gary Moore, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Thiết kế Sinh học về Khám phá Cấu trúc Ứng dụng, cho rằng hóa học sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp sạch cho tình thế tiến thoái lưỡng nan về năng lượng gắn kết của thế giới. Trong nghiên cứu mới xuất hiện trên trang bìa của tạp chí ChemElectroChem , Moore và các đồng nghiệp của ông mô tả việc sử dụng các phân tử hình vòng được gọi là porphyrin. Các phân tử như vậy, trong số các sắc tố phong phú nhất trong tự nhiên, được ghi nhận là có khả năng tăng tốc độ hoặc xúc tác các phản ứng hóa học, bao gồm các phản ứng quan trọng xảy ra trong các hệ thống sống. Trong số các phản ứng này là sự chuyển đổi năng lượng bức xạ từ mặt trời thành năng lượng hóa học được lưu trữ trong các liên kết phân tử, một quá trình được khai thác bởi thực vật và vi khuẩn quang hợp. Năng lượng hóa học này sau đó có thể được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho quá trình trao đổi chất của sinh vật, thông qua quá trình hô hấp tế bào. Các nhà nghiên cứu như Moore hy vọng sẽ lấy một trang từ sách vở của tự nhiên, tạo ra các chất tương tự tổng hợp cho các quá trình quang hợp tự nhiên. Nghiên cứu mới mô tả một porphyrin chứa diiron tổng hợp và khám phá tiềm năng của nó như một chất xúc tác hiệu quả. Moore nói: “Thay vì khai thác các sản phẩm của quá trình quang hợp tự nhiên, chúng ta có thể lấy cảm hứng từ kiến thức của mình về quang hợp để đi tiên phong trong các vật liệu và công nghệ mới với các đặc tính và khả năng cạnh tranh với các đối tác sinh học của chúng”. Porphyrin, và các chất tương tự liên quan đến cấu trúc của chúng, được tìm thấy rất nhiều trong thế giới sinh vật. Chúng hoạt động để liên kết một loạt các ion kim loại để thực hiện các nhiệm vụ tế bào ở xa. Ví dụ, các phân tử diệp lục liên kết magiê - một giai đoạn hóa học quan trọng trong quá trình quang hợp của thực vật, trong khi heme - một loại sắt có chứa porphyrin - giúp tổ chức vận chuyển oxy phân tử và carbon-dioxide và cung cấp các chuỗi vận chuyển điện tử cần thiết cho quá trình hô hấp của tế bào. Do vai trò chỉ huy của chúng trong các quá trình sống, sự bất thường của porphyrin là nguyên nhân gây ra một loạt các bệnh nghiêm trọng. Porphyrin cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong các thiết bị tổng hợp được gọi là tế bào điện hóa, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện hoặc ngược lại. Mặc dù năng lượng bức xạ từ mặt trời có thể được lưu trữ trong các loại pin thông thường, nhưng các ứng dụng như vậy bị hạn chế bởi mật độ năng lượng thấp so với nhiên liệu được sử dụng cho giao thông hiện đại. Những nỗ lực của Moore trong việc thiết kế các hệ thống quang hợp nhân tạo có thể cung cấp một phần có giá trị trong câu đố năng lượng tái tạo, sản xuất nhiên liệu "không dựa trên hóa thạch" cũng như một loạt các mặt hàng có lợi. Những thiết bị như vậy sẽ cho phép thu và lưu trữ năng lượng mặt trời để sử dụng khi nào và ở đâu cần thiết và có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các hóa chất rẻ hơn và phong phú hơn nhiều so với các vật liệu hiện đang được sử dụng cho các ứng dụng năng lượng mặt trời thông thường.
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210902174743.htm