“Lá nhân tạo” dùng ánh sáng mặt trời để sản xuất nhiên liệu sạch

Trung tâm về quang hợp nhân tạo (JCAP) vừa thông báo về mẫu thiết kế “lá nhân tạo” mới đảm bảo an toàn, hiệu quả, ổn định đạt mức kỷ lục, bắt chước quá trình quang hợp ở thực vật để sản xuất ra nhiên liệu hydro sạch mà chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời và nước.

Ảnh minh họa

Trung tâm về quang hợp nhân tạo (JCAP) được thành lập tại Viện công nghệ California (Caltech) và các định chế đối tác của nó trong năm 2010 như là Trung tâm cải tiến năng lượng của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE). JCAP có một mục tiêu chính là: tìm ra một phương pháp hiệu quả về chi phí để sản xuất nhiên liệu mà chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide (CO2), bắt chước quá trình quang hợp tự nhiên ở thực vật và lưu trữ năng lượng dưới dạng các nhiên liệu hoá học để sử dụng theo nhu cầu.

Trong 5 năm qua, các nhà nghiên cứu tại JCAP đã có những bước tiến lớn hướng tới mục tiêu này và bây giờ họ báo cáo về việc phát triển một hệ thống hoàn chỉnh đầu tiên, an toàn, hiệu quả, dựa vào nguồn năng lượng mặt trời tích hợp để phân tách nước nhằm tạo ra các nhiên liệu hydro.

Nate Lewis của Viện Caltech - Giáo sư hóa học và là Giám đốc khoa học của JCAP - nói rằng "Kết quả này là một cột mốc quan trọng của dự án kéo dài trong cả 5 năm của JCAP nói chung và chúng ta không chỉ đạt được mục tiêu này mà còn đạt được nó theo đúng thời gian và ngân sách".

Hệ thống sản xuất nhiên liệu từ năng lượng mặt trời mới này, còn gọi là “lá nhân tạo”, được mô tả trong số phát hành trực tuyến ngày 24/8 của tạp chí Năng lượng và Khoa học môi trường. Công trình này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm của Nate Lewis và Harry Atwater - Giám đốc JCAP và là Giáo sư về vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu.

Atwater cho biết "Thiết bị mới được báo cáo ở đây đã phát triển từ một nỗ lực quy mô lớn trong nhiều năm để xác định mẫu thiết kế và thành phần vật liệu cần thiết cho một máy sản xuất nhiên liệu từ năng lượng mặt trời tích hợp".

Hệ thống mới bao gồm ba cấu thành chính: hai điện cực - một cực quang anốt (photoanode) và một cực quang catốt (photocathode) - và một màng phân cách. Cực quang anốt sử dụng ánh sáng mặt trời để oxy hóa các phân tử nước, tạo ra các proton và electron cùng với khí oxy. Cực quang catốt tái kết hợp các proton và electron để tạo thành khí hydro.

Một phần quan trọng trong thiết kế của JCAP là lớp màng nhựa, giúp phân cách khí oxy và hydro. Nếu hai loại khí này kết hợp với nhau và vô tình bị kích lửa, một vụ nổ có thể xảy ra. Lớp màng cho phép nhiên liệu hydro có thể được thu gom riêng và được đẩy an toàn vào một đường ống.

Các chất bán dẫn như silicon hoặc gallium arsenide giúp hấp thu ánh sáng một cách hiệu quả và nhờ đó được sử dụng trong các tấm pin mặt trời. Tuy nhiên, các vật liệu này cũng bị ôxy hóa (hoặc rỉ sét) trên bề mặt khi tiếp xúc với nước, vì vậy không thể được sử dụng để trực tiếp tạo ra nhiên liệu.

Một bước tiến lớn cho phép phát triển hệ thống tích hợp chính là công trình trước đó trong phòng thí nghiệm của Lewis.Công trình này cho thấy rằng việc bổ sung một lớp titanium dioxide (TiO2) dày vài nanomet lên các điện cực có thể giúp chúng không bị ăn mòn trong khi vẫn cho phép ánh sáng và các electron đi xuyên qua. Hệ thống sản xuất nhiên liệu từ năng lượng mặt trời hoàn toàn mới do Lewis và các đồng nghiệp phát triển sử dụng một lớp TiO2 dày 62,5 nanomet để giúp ngăn chặn hiệu quả sự ăn mòn và cải thiện tính ổn định của một điện cực quang (photoelectrode) bằng gallium arsenide.

Một bước tiến quan trọng khác là việc sử dụng các chất xúc tác rẻ tiền, hiệu nghiệm để sản xuất nhiên liệu. Cực quang anốt cần một chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng phân tách nước. Các kim loại hiếm và đắt tiền như bạch kim có thể đóng vai trò là chất xúc tác hiệu quả, nhưng nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể tạo ra một chất xúc tác hiệu quả, rẻ hơn nhiều bằng cách bổ sung thêm một lớp niken dày 2 nanomet lên bề mặt của TiO2. Chất xúc tác này là một trong những chất xúc tác hiệu quả nhất cho việc tách phân tử nước thành oxy, proton và electron và là một chìa khóa để đạt mức hiệu quả cao của thiết bị trên.

Cực quang anốt được nối với cực quang catốt (cũng có chứa một chất xúc tác hiệu quả cao, không tốn kém, được tạo ra từ nickel và molybdenum) để tạo thành một vật liệu duy nhất được tích hợp hoàn toàn, đóng vai trò như là một hệ thống phân tách nước hoàn chỉnh bằng năng lượng mặt trời.

Một thành phần quan trọng góp phần vào tính hiệu quả và an toàn của hệ thống mới này là lớp màng nhựa đặc biệt giúp phân tách các khí và ngăn ngừa khả năng xảy ra một vụ nổ, trong khi vẫn cho phép các ion lưu thông liên tục để hoàn thành mạch điện trong pin. Tất cả các thành phần trên đều ổn định dưới các điều kiện như nhau và cùng hoạt động để tạo ra một hệ thống tích hợp hoàn toàn, hiệu suất cao.

Một thiết bị quang điện hóa (PEC) có hiệu quả cao sử dụng năng lượng mặt trời để phân tách nước thành hydro và oxy. Mẫu thử nghiệm độc lập bao gồm hai ngăn cách nhau bởi một lớp màng bán thấm cho phép thu gom cả 2 sản phẩm khí trên.

Hệ thống minh họa có diện tích khoảng một cm2, chuyển đổi 10 % năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong nhiên liệu hóa học và có thể hoạt động trong hơn 40 giờ liên tục.

Lewis cho rằng "Hệ thống mới này san bằng tất cả các kỷ lục tổng hợp về tính an toàn, hiệu suất và ổn định cho công nghệ ‘lá nhân tạo’ bằng các hệ số gấp 5 đến 10 lần hoặc nhiều hơn nữa".

Lewis cho biết thêm: "Công trình nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng việc sản xuất nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời một cách an toàn và hiệu quả trong một hệ thống tích hợp với các bộ phận cấu thành rẻ tiền thực sự là có thể thực hiện được". "Tất nhiên, chúng tôi vẫn còn nhiều việc phải làm để kéo dài tuổi thọ của hệ thống này và phát triển các phương pháp để sản xuất một cách hiệu quả về chi phí các hệ thống hoàn chỉnh - cả hai công việc này đều đang được tiến hành".

Bởi vì sản phẩm trên đã kết hợp nhiều thành phần khác nhau vốn được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu trong JCAP, đồng tác giả Chengxiang Xiang nói rằng kết quả thành công cuối cùng là một nỗ lực mang tính cộng tác.

Theo Khampha.vn