Có thể tạo ra hydro từ muối và nước

Ảnh: Đại học Bách khoa Tomsk

Tạo ra hydro từ muối và nước ô nhiễm

Các nhà khoa học của Đại học Bách khoa Tomsk cùng với các nhóm từ Đại học Hóa học và Công nghệ Prague và Đại học Jan Evangelista Purkyne ở Ústí nad Labem vừa phát triển và chế tạo thành công một vật liệu 2 chiều mới để sản xuất hydro, mở ra triển vọng cho nguồn năng lượng thay thế.

Vật liệu này tạo ra các phân tử hydro từ nước ngọt, muối và nước bị ô nhiễm một cách hiệu quả khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Kết quả được công bố trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces.

"Hydrogen là một nguồn năng lượng thay thế. Do đó, sự phát triển của các công nghệ hydro có thể trở thành một giải pháp để giải bài toán về nguồn năng lượng trên toàn cầu. Tuy nhiên, có một số vấn đề cần giải quyết. Đặc biệt, các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm các phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường để sản xuất hydro. Một trong những phương pháp chính là phân hủy nước khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Trên hành tinh có rất nhiều nước, nhưng chỉ có một vài phương pháp phù hợp với muối hoặc nước bị ô nhiễm. Ngoài ra, phổ hồng ngoại chiếm 43% của ánh sáng mặt trời được sử dụng rất ít", Olga Guselnikova, một trong những tác giả của công trình nghiên cứu cho biết.

Vật liệu mới cấu trúc ba lớp với độ dày 1 micromet. Lớp dưới là một màng vàng mỏng, lớp thứ hai được làm bằng bạch kim dày 10 nanomet, và lớp thứ ba là một màng gồm các khung kim loại hữu cơ của các hợp chất crom và các phân tử hữu cơ.

"Trong các thí nghiệm, chúng tôi tưới vật liệu và niêm phong thùng chứa, lấy mẫu khí định kỳ để xác định lượng hydro. Ánh sáng hồng ngoại gây ra sự kích thích cộng hưởng plasmon trên bề mặt mẫu. Các electron nóng được tạo ra trên màng vàng được chuyển sang lớp bạch kim. Những electron này đã kích hoạt để khử các proton ở giao diện với lớp hữu cơ. Các electron này cũng có thể được sử dụng để giảm proton và thu được hydro", Guselnikova giải thích.

Theo Guselnikova, các thí nghiệm đã chứng minh rằng, 100cm² vật liệu có thể tạo ra 0,5 lít hydro trong 1 giờ. Đây là một trong những tỷ lệ cao nhất được ghi nhận cho vật liệu 2 chiều.

"Vật liệu này đã chứng minh sự hấp thụ nhất định trong phổ ánh sáng khả kiến, nhưng hiệu quả của nó thấp hơn một chút so với phổ hồng ngoại. Sau khi cải tiến, có thể nói rằng vật liệu này hoạt động với 93% thể tích quang phổ của ánh sáng mặt trời" Guselnikova cho biết và nhấn mạnh việc các nhà khoa học có thể hy vọng vào việc tiếp tục cải tiến vật liệu này để đạt hiệu quả cho cả phổ hồng ngoại và quang phổ nhìn thấy được.

Tạo xúc tác với nước để sản xuất hydro

Trong một nghiên cứu khác được công bố vào tháng 10/2019, các nhà hóa học NUS đã phát triển các khung hữu cơ cộng hóa trị liên hợp carbon sử dụng ánh sáng tạo xúc tác để sản xuất khí hydro từ nước.

Hình ảnh minh họa khung hữu cơ cộng hóa trị liên hợp carbon (COF) cho thấy, hệ thống xúc tác quang trong đó có một loạt ánh sáng khả dụng ​​có thể được dùng để sản xuất khí hydro từ nước. Các hạt nano (ký hiệu là M) có thể được nạp vào COF như một trung tâm phản ứng.

Ứng dụng khí hydro đang trở nên quan trọng như một phương tiện lưu trữ cho các năng lượng bền vững. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời, một nguồn năng lượng tái tạo bền vững để phân hủy nước thành khí hydro đang thu hút sự quan tâm đáng kể của khoa học. Tuy nhiên, việc chuyển đổi nước thành khí hydro không xảy ra một cách tự nhiên, nó đòi hỏi một hệ thống phức tạp bao gồm một dòng các electron tự do được tạo ra bởi nguồn sáng hoạt động như một dòng điện để phân tách phân tử nước.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư JIANG Donglin, khoa Hóa học của NUS dẫn đầu đã phát triển một loại chất xúc tác quang mới sử dụng năng lượng mặt trời và khung hữu cơ cộng hóa trị liên hợp carbon (COF) để sản xuất khí hydro từ nước.

Bằng cách sắp xếp chúng theo liên kết được thiết kế trước, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được một vật liệu hữu cơ mạnh mẽ, trong đó các khối cấu trúc được xây dựng dựa trên cấu trúc carbon và được kết nối bằng các liên kết cụ thể.

Cấu trúc phân tử độc đáo này trông giống như các lớp mạng hai chiều xếp chồng lên nhau và có thể hấp thu ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả. Các nhà nghiên cứu đã chèn các hạt nano bạch kim vào COF làm trung tâm phản ứng, và dưới sự chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy được (420nm), khí hydro được tạo ra với tốc độ ổn định 1.360 μmol h-1g-1 trong khoảng thời gian 5 giờ.

Chất xúc tác quang mới được phát triển có một số cơ chế cho phép nó tạo ra khí hydro từ phân tử nước một cách hiệu quả. Nó bao gồm các khung carbon sp2 được liên hợp với các dải năng lượng thấp. Điều này cho phép sự hấp thụ từ phổ ánh sáng nhìn thấy được đến gần phổ hồng ngoại.

Giáo sư Jiang cho biết, "Các hạt nano như bạch kim có thể được nạp vào lỗ mạng hoặc trên bề mặt của chất xúc tác quang để hoạt động như các trung tâm phản ứng. Điều này rút ngắn khoảng cách chuyển đổi điện tích và thúc đẩy tích lũy electron, cải thiện hiệu suất chuyển đổi"

"Chúng tôi dự đoán rằng, công trình này có thể cung cấp cơ sở cấu trúc và cơ học để sản xuất nhiên liệu bền vững từ nước và ánh sáng mặt trời", Giáo sư Jiang chia sẻ.

Đình Lâm (TH)