Tổng hợp điện phân nhiên liệu cacbon và hydro bằng phương pháp một buồng

Việc tìm kiếm nhiên liệu có dấu chân cacbon thấp không dựa vào hóa thạch đã đưa đến một số phương pháp tiếp cận để sử dụng năng lượng mặt trời. 

Quang hợp nhân tạo - sử dụng năng lượng mặt trời để tách nước tạo ra hydro và oxy - thường được coi là “Chén thánh” của ngành hóa học, có thể mang lại một nguồn cung cấp năng lượng sạch, di động và lâu dài. Mặc dù những nỗ lực to lớn đã được thực hiện trong lĩnh vực này, nhiều nhà nghiên cứu đã phải đối mặt với các thách thức khác nhau, từ các khoa học cơ bản đến kỹ thuật và hầu hết những quy trình này đều hoạt động ít hơn nhiều so với hiệu suất 10% của năng lượng mặt trời.

Trở lại năm 2002, Stuart Licht, Giáo sư hóa học, đã trình bày một lý thuyết điện hóa năng lượng mặt trời mà toàn bộ dải quang phổ của ánh sáng mặt trời là đủ để tách nước thành nhiên liệu hydrogen với hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời trên 50%. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho lý thuyết này là STEP (viết tắt của the Solar Thermal Electrochemical Process - quy trình điện hóa nhiệt mặt trời) và trình diễn nó để loại bỏ trực tiếp điôxít cacbon của khí quyển, sản xuất sắt và oxit canxi không tạo ra phát thải CO2.

Sơ đồ quy trình.

STEP là một dạng khác của quy trình chuyển đổi năng lượng mặt trời, tạo ra các hóa chất hữu ích chứ không phải điện năng. Quy trình này sử dụng năng lượng nhiệt của mặt trời để làm nóng và làm giảm năng lượng của các phản ứng và năng lượng hữu hình của mặt trời để cung cấp dòng điện cho thực hiện các phản ứng hóa học.

Việc sử dụng phổ biến năng lượng nhiệt mặt trời để làm giảm điện thế điện phân có thể được áp dụng cho pin điện phân pha lỏng, khí, hay rắn,” Licht giải thích. “Nói chung, chúng tôi đã tìm thấy một lợi thế năng lượng trong việc áp dụng STEP đối với pin điện phân lỏng, nóng chảy”.  

Nhóm nghiên cứu của Licht tại Khoa Hóa và Viện Năng lượng mặt trời tại Đại học George Washington mới đây đã thành công trong việc cố gắng đồng thời đồng sản xuất nhiên liệu cacbon rắn và hydro từ một hỗn hợp chất điện phân hydroxide/cacbonat bằng phương pháp tổng hợp điện phân ‘một buồng’ ở nhiệt độ dưới 650oC.

Đây là trình diễn đầu tiên việc đồng sản xuất nhiên liệu cacbon và hydro tại một điện cực duy nhất và từ một chất điện phân nóng chảy. Trong nghiên cứu này, sản xuất nhiên liệu có thể được vận hành hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời sử dụng quy trình STEP, trong đó năng lượng nhiệt mặt trời làm tăng nhiệt độ của hệ thống để làm giảm điện thế điện phân.

Mục tiêu đặt ra là đồng sản xuất nhiên liệu cacbon và hydro ở mật độ dòng cao vài trăm mA/cm2, với điện thế điện phân thấp và từ các điểm khởi đầu là nước và cacbon điôxít, đưa đến một bước tiến quan trọng hướng tới sự phát triển các loại nhiên liệu tái tạo”, Licht nói.

Lợi ích cốt lõi của công trình nghiên cứu này là việc chứng minh rằng cả nước và điôxít cacbon đều có thể được hấp thụ và phân tách trong một buồng duy nhất - một hỗn hợp nóng chảy muối hydroxit và cacbonat - đồng thời tách nước thành hydro; điôxít cacbonthành hydro và cacbon.

Nhiên liệu STEP (quy trình điện hóa nhiệt mặt trời cho sản xuất nhiên liệu) sử dụng điện cực rẻ tiền (nickel và thép) nhúng trong một chất điện phân nóng chảy và có thể được làm nóng bằng nhiệt mặt trời và được vận hành bởi dòng quang điện mặt trời.

Lợi thế thứ hai trong nghiên cứu này là chứng minh muối bari/canxi chuyên dụng làm ổn định điện cực niken tạo ra oxy.

“Nhiên liệu STEP có khả năng mở rộng và chúng tôi đang trong quá trình mở rộng quy mô buồng điện phân từ vài amps lên hàng trăm amps”, Licht cho  biết. “Việc chứng minh đồng tổng hợp hydrogen và cacbon rắn trong nghiên cứu này, tổng hợp hữu cơ STEP, cũng như phương pháp tổng hợp nhiên liệu cacbon monoxit trước đó của chúng tôi từ điôxít cacbon với cùng một loại muối nóng chảy cho thấy phương pháp tổng hợp 1 buồng tổng hợp hiệu quả nhiên liệu có bậc cao hơn (hydrocacbon) là khả thi”. 

Theo Nanowerk