Sản xuất nhiên liệu sạch với “lá nhân tạo”

Năng lượng mặt trời và gió đang ngày càng trở nên phổ biến, song giá thành và hiệu suất vẫn là những rào cản chính mà hai loại hình này vấp phải trong quá trình đưa nền kinh tế toàn cầu “xanh” hơn.

Trong một nỗ lực tìm kiếm giải pháp cho hai rào cản trên và tận dụng tốt hơn nguồn ánh sáng dồi dào từ mặt trời, các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu quang hợp nhân tạo (JCAP) và Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã tạo ra một hệ thống mới cho phép sử dụng những nguyên liệu cơ bản gồm ánh sáng, nước và khí CO2 mô phỏng quá trình quang hợp của thực vật để tạo ra và lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiên liệu để phục vụ sản xuất và đời sống với tên gọi “lá nhân tạo” (artificial leaf).

Hệ thống mới bao gồm ba thành phần chính: hai điện cực - một a-nốt và một ca-tốt - và một lớp màng mỏng. Khi tiếp xúc với chiếc “lá” này, ánh sáng mặt trời sẽ ô-xy hoá các phân tử nước ở a-nốt, từ đó tạo các proton, electron và khí ô-xy. Tại ca-tốt, các electron và proton sẽ được tái kết hợp để tạo thành khí hidro. Tác dụng của lớp màng polyme chính là giữ không cho khí ô-xy và hidro sinh ra phản ứng với nhau, tránh để xảy ra hiện tượng cháy nổ.Tiếp đó, khí hidro sẽ được thu hồi bằng cách nén áp suất và đẩy vào một đường ống đặc biệt. 

Trong quá trình xây dựng “lá nhân tạo”, điều làm các nhà khoa học đau đầu nhất chính là lựa chọn vật liệu thích hợp để chế tạo hai điện cực. Thông thường, pin mặt trời sẽ được chế tạo từ các chất bán dẫn như silic hoặc arsenua gali do khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả của chúng. Tuy nhiên, hai loại vật liệu này lại rất dễ bị ô-xy hoá khi tiếp xúc với nước, vì vậy không hiệu quả khi sử dụng trong những công nghệ trực tiếp tạo ra nhiên liệu. Cuối cùng, họ đã phát hiện ra tính năng chống ô-xy hoá mạnh của titan ô-xít và khả năng kết hợp của nó với arsenua gali, từ đó thử nghiệm phương án phủ một lớp titan ô-xít dày 62,5 nm lên trên bề mặt của arsenua gali. Kết quả cho thấy, với lớp phủ này, hiệu quả hấp thụ quang năng của điện cực vẫn đạt 100% trong khi nguy cơ bị rỉ sét hoàn toàn chấm dứt.

Mặt khác, vấn đề tăng cường tốc độ của phản ứng tách nước cũng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm khi thời gian mặt trời cho ánh sáng mạnh là có giới hạn. Bạch kim vẫn được coi là chất xúc tác số 1 trong hoá học song giá thành quá cao của nó sẽ hạn chế khả năng tiếp cận công nghệ của đại đa số doanh nghiệp và người dùng. Sau nhiều thử nghiệm với các loại đơn chất và hợp chất khác nhau, họ đã lựa chọn lớp phủ niken-molypden dày 2 nm tại a-nốt, nhờ đó tốc độ “quang hợp” được nâng cao một cách rõ rệt.

Xét tổng thể, công nghệ “lá nhân tạo” có khả năng tạo ra khí hydro nhiên liệu với tốc độ nhanh, hiệu suất cao (10% quang năng), ổn định trong thời gian dài (hơn 40 giờ liên tục). So với công nghệ pin mặt trời hiện nay, công nghệ này tỏ ra hiệu quả hơn khi năng lượng thu được có thể được tích trữ dưới dạng nhiên liệu mà không bị lãng phí khi không sử dụng ngay hoặc phải kết nối phức tạp với lưới điện quốc gia. Hơn thế, lượng khí ô-xy thành phẩm còn có thể được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác. Và quan trọng hơn cả, công nghệ này chỉ sử dụng đến những nguyên liệu rẻ tiền, do đó sẽ rất tiết kiệm và thích hợp cho mọi đối tượng, đặc biệt là các hộ gia đình.

Anh Tuấn (Theo Science Daily)