Khi các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách trên toàn thế giới đang cố gắng hạn chế tốc độ gia tăng biến đổi khí hậu và tập trung vào thủ phạm chính là carbon dioxide (CO2).

Được tạo ra từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch tại các nhà máy điện và động cơ ô tô, CO₂ tiếp tục tích lũy trong khí quyển và làm ấm hành tinh. Tuy nhiên, rừng và các loài thực vật khác đang thu giữ CO₂ từ khí quyển và biến chúng thành đường tích trữ năng lượng.

Trong nghiên cứu mới của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Đại học Illinois tại Chicago, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp tương tự nhằm chuyển đổi CO₂thành nguồn năng lượng hữu dụng bằng việc sử dụng ánh sáng mặt trời.

Một trong những thách thức lớn trong việc cô lập CO₂ đó là nó tương đối trơ về mặt hóa học. Nhà hóa học Larry Curtiss thuộc Argonne cho biết, khó có thể biến đổi CO₂ thành một cái gì đó khác.

Để đưa CO₂ vào trong cái gì đó, có thể là một loại nhiên liệu sử dụng được, Curtiss và các đồng nghiệp của ông cần phải tìm một chất xúc tác - một hợp chất đặc biệt mà có thể làm cho CO₂ phản ứng dễ dàng hơn. Khi biến đổi CO₂ từ khí quyển thành đường, thực vật đã sử dụng chất xúc tác hữu cơ được gọi enzyme; còn các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hợp chất kim loại được gọi là vonfram diselenide, được nắn thành từng mảnh nhỏ có kích thước nanô để tối đa hóa diện tích bề mặt và để lộ các cạnh phản ứng của nó.

Trong khi thực vật sử dụng chất xúc tác của chúng để sản xuất đường, thì các nhà nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm Argonne đã sử dụng chất xúc tác của họ để biến đổi carbon dioxide thành carbon monoxide. Mặc dù carbon monoxide cũng là một loại khí nhà kính, nó phản ứng mạnh hơn nhiều so với carbon dioxide và các nhà khoa học đã có những biện pháp để chuyển đổi carbon monoxide thành nhiên liệu có thể sử dụng, chẳng hạn như methanol. Nhà vật lý Peter Argonne Zapol, một tác giả của nghiên cứu cho biết: "việc tạo ra nhiên liệu từ carbon monoxide có nghĩa là "xuống dốc" một cách hăng hái, trong khi cố gắng tạo ra trực tiếp từ carbon dioxide có nghĩa là cần phải đi 'lên dốc".

Mặc dù phản ứng chuyển hóa carbon dioxide thành carbon monoxide khác với những gì thấy trong tự nhiên, nó đòi hỏi các yếu tố đầu vào cơ bản giống nhau như quá trình quang hợp. Curtiss cho biết: "trong quá trình quang hợp, cây cần năng lượng từ ánh sáng, nước và carbon dioxide để tạo ra nhiên liệu cho chúng, trong thí nghiệm của chúng tôi, các thành phần là như nhau, tuy nhiên sản phẩm là khác nhau".

Việc thiết lập phản ứng giống với thiên nhiên, nhóm nghiên cứu có thể xây dựng một "chiếc lá nhân tạo" mà có thể hoàn thành lộ trình phản ứng gồm ba bước. Trong bước đầu tiên, các photon đến gồm các chùm ánh sáng được chuyển đổi thành các cặp electron tích điện âm và các lỗ tương ứng tích điện dương, sau đó tách rời nhau. Trong bước thứ hai, các lỗ phản ứng với các phân tử nước, tạo ra các proton và các phân tử oxy. Cuối cùng, các proton, electron và CO₂ tất cả phản ứng với nhau để tạo ra carbon monoxide và nước.

Zapol cho biết: "Chúng tôi đốt rất nhiều loại hydrocacbon khác nhau - như than đá, dầu hoặc xăng - để tìm ra một giải pháp sản xuất nhiên liệu hóa học kinh tế, có thể sử dụng lại nhiều lần hơn nhờ sự hỗ trợ của ánh sáng mặt trời có thể có tác động lớn".

Hướng tới mục tiêu này, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, các phản ứng xảy ra với năng lượng bị mất ở mức tối thiểu - phản ứng rất hiệu quả. Zapol cho rằng: “phản ứng kém hiệu quả là năng lượng để tái sinh khí CO₂ cao hơn, do đó, hiệu quả của phản ứng là rất quan trọng". Theo Curtiss, chất xúc tác vonfram diselenide cũng khá bền, kéo dài trong hơn 100 giờ. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science. Phần lớn việc thử nghiệm được thực hiện tại Đại học Illinois tại Chicago, còn việc tính toán được thực hiện tại Argonne.