Theo dòng sự kiện

Tạo ra hydro sạch rất khó, nhưng các nhà nghiên cứu vừa giải quyết được một trở ngại lớn

30/07/2021, 11:20

TNNN - Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp chi phí thấp để giải một nửa phương trình tách nước nhằm tạo ra hydro dưới dạng năng lượng sạch - sử dụng ánh sáng mặt trời để tách các phân tử oxy ra khỏi nước một cách hiệu quả.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã tìm cách sử dụng năng lượng mặt trời tạo ra phản ứng quan trọng để sản xuất hydro như một nguồn năng lượng sạch - tách các phân tử nước để tạo thành hydro và oxy. Tuy nhiên, những nỗ lực như vậy hầu hết đã thất bại vì làm tốt nó quá tốn kém, và cố gắng làm nó với chi phí thấp dẫn đến hiệu quả kém.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas ở Austin đã tìm ra một phương pháp chi phí thấp để giải một nửa phương trình, sử dụng ánh sáng mặt trời để tách các phân tử oxy ra khỏi nước một cách hiệu quả. Phát hiện được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications, đại diện cho một bước tiến trong việc áp dụng nhiều hơn hydro như một phần quan trọng của cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta.

Ngay từ những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro. Nhưng việc không thể tìm được vật liệu với sự kết hợp của các đặc tính cần thiết cho một thiết bị có thể thực hiện các phản ứng hóa học quan trọng một cách hiệu quả đã khiến nó không trở thành một phương pháp chính thống.

Edward Yu, giáo sư tại Khoa Điện và Máy tính của Trường Cockrell cho biết: “Bạn cần những vật liệu có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời và đồng thời không bị phân hủy trong khi phản ứng tách nước diễn ra. "Hóa ra các vật liệu hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời có xu hướng không ổn định trong các điều kiện cần thiết cho phản ứng tách nước, trong khi các vật liệu ổn định có xu hướng hấp thụ ánh sáng mặt trời kém. Những yêu cầu mâu thuẫn này khiến bạn phải đánh đổi, nhưng bằng cách kết hợp nhiều vật liệu - một vật liệu hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời, chẳng hạn như silicon và một vật liệu khác cung cấp độ ổn định tốt, chẳng hạn như silicon dioxide - vào một thiết bị duy nhất, xung đột này có thể được giải quyết."

Tuy nhiên, điều này lại tạo ra một thách thức khác - các electron và lỗ trống được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng mặt trời trong silicon phải có thể di chuyển dễ dàng qua lớp silicon dioxide. Điều này thường yêu cầu lớp silicon dioxide không quá vài nanomet, điều này làm giảm hiệu quả của nó trong việc bảo vệ chất hấp thụ silicon khỏi bị suy thoái.

Chìa khóa của bước đột phá này là nhờ một phương pháp tạo ra các đường dẫn điện thông qua một lớp silicon dioxide dày có thể được thực hiện với chi phí thấp và được mở rộng với khối lượng sản xuất cao. Để đạt được điều đó, Yu và nhóm của ông đã sử dụng một kỹ thuật được triển khai đầu tiên trong sản xuất chip điện tử bán dẫn. Bằng cách phủ lên lớp silicon dioxide một màng nhôm mỏng và sau đó nung nóng toàn bộ cấu trúc, các mảng "gai" nhôm có kích thước nano kết nối hoàn toàn lớp silicon dioxide được hình thành. Sau đó, chúng có thể dễ dàng được thay thế bằng niken hoặc các vật liệu khác giúp xúc tác phản ứng tách nước.

Khi được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời, các thiết bị có thể oxy hóa nước một cách hiệu quả để tạo thành các phân tử oxy đồng thời tạo ra hydro tại một điện cực riêng biệt và thể hiện sự ổn định vượt trội trong thời gian hoạt động kéo dài. Bởi vì các kỹ thuật được sử dụng để tạo ra các thiết bị này thường được sử dụng trong sản xuất thiết bị điện tử bán dẫn, chúng nên dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất hàng loạt.

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời để thương mại hóa công nghệ này.

Cải thiện cách thức tạo ra hydro là chìa khóa để nó nổi lên như một nguồn nhiên liệu khả thi. Hầu hết sản xuất hydro ngày nay xảy ra thông qua việc đốt nóng hơi nước và khí mê-tan, nhưng điều đó phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch và tạo ra khí thải carbon.

Có một sự thúc đẩy hướng tới "hydro xanh" sử dụng các phương pháp thân thiện với môi trường hơn để tạo ra hydro. Và đơn giản hóa phản ứng tách nước là một phần quan trọng của nỗ lực đó.

Hydro có tiềm năng trở thành một nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng với một số đặc tính độc đáo. Nó đã có một vai trò quan trọng trong các quá trình công nghiệp và nó đang bắt đầu xuất hiện trong ngành công nghiệp ô tô. Pin nhiên liệu có vẻ hứa hẹn trong vận tải đường dài và công nghệ hydro có thể là một lợi ích cho việc lưu trữ năng lượng, với khả năng lưu trữ năng lượng gió và năng lượng mặt trời dư thừa được tạo ra khi đủ các điều kiện.

Trong tương lai, nhóm sẽ làm việc để cải thiện hiệu quả của phần oxy của quá trình tách nước bằng cách tăng tốc độ phản ứng. Thách thức lớn tiếp theo của các nhà nghiên cứu là chuyển sang nửa còn lại của phương trình.

Yu nói: “Chúng tôi đã có thể giải quyết mặt oxy của phản ứng trước, đó là phần khó khăn hơn, nhưng bạn cần thực hiện cả phản ứng tiến hóa hydro và oxy để phân tách hoàn toàn các phân tử nước, vì vậy đó là lý do tại sao việc tiếp theo của chúng tôi là xem xét áp dụng những ý tưởng này để tạo ra các thiết bị cho phần hydro của phản ứng."

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ thông qua Tổng cục Kỹ thuật và chương trình Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu (MRSEC). Yu đã làm việc trong dự án với các sinh viên UT Austin Soonil Lee và Alex De Palma, cùng với Li Ji, một giáo sư tại Đại học Fudan ở Trung Quốc.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily

Bình luận