Thiết bị sản xuất hydro từ nước và ánh sáng mặt trời

Các nhà khoa học Mỹ đã phát triển thiết bị sản xuất hydro mới bằng cách sử dụng nước tinh khiết, ánh sáng mặt trời tập trung và chất xúc tác quang Indi Gallium Nitride có hiệu suất chuyển đổi cao hơn và chi phí sản xuất thấp hơn so với các công nghệ hiện nay.

Trong cuộc chạy đua toàn cầu nhằm chống lại biến đổi khí hậu và giảm lượng khí thải carbon, hydro được coi là “đối thủ nặng ký” để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Mới đây, các nhà khoa học đã phát triển ra cách làm cho hydro trở thành một loại nhiên liệu thay thế đáng tin cậy là sử dụng nhiều năng lượng và carbon.

Một số phương pháp sản xuất hydro năng lượng mặt trời hiện nay như: tách nước quang hóa, thường yêu cầu chất điện phân ăn mòn, làm giảm hiệu suất và tính bền vững đối với môi trường; hoặc sản xuất trực tiếp từ ánh sáng mặt trời và nước bằng cách tách nước xúc tác quang. Tuy nhiên, hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro của quá trình tách nước xúc tác quang vẫn còn rất thấp.

Nhóm các nhà khoa học tại Đại học Michigan, Mỹ đã phát triển thiết bị mới có khả năng chuyển đổi hydro từ nước và năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp nhân tạo với hiệu suất lên tới hơn 9%, hiệu quả gấp gần 10 lần các thí nghiệm tách nước bằng năng lượng mặt trời cùng loại.

Trên bề mặt silicon, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loại chất bán dẫn mới được làm từ các hạt nano Indi Gallium Nitride có khả năng thu ánh sáng, biến nó thành các electron tự do và lỗ trống — những khoảng trống tích điện dương khi các electron được ánh sáng giải phóng. Cấu trúc nano được bao phủ bởi các quả bóng kim loại có đường kính 1/2000 mm, sử dụng các electron và lỗ trống đó để giúp định hướng phản ứng.

Chất bán dẫn mới này có thể hấp thụ được ánh sáng tập trung tương đương với cường độ ánh sáng của 160 mặt trời. Bên cạnh đó, nhóm cũng đã tìm cách thu nhỏ chất bán dẫn, thường là phần đắt nhất của thiết bị, giúp giảm chi phí sản xuất.

Peng Zhou, nhà nghiên cứu kỹ thuật máy tính và điện tại Đại học Michigan, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã giảm kích thước của chất bán dẫn xuống hơn 100 lần so với một số loại chất bán dẫn chỉ hoạt động ở cường độ ánh sáng thấp thường dùng hiện nay. Do đó hydro sản xuất bằng công nghệ của chúng tôi có thể rất rẻ".

Với công nghệ mới này, thiết bị mới không chỉ có khả năng tập trung ánh sáng mặt trời, không phá hủy chất bán dẫn, mà còn tận dụng được phần năng lượng cao hơn của quang phổ mặt trời để tách nước và phần năng lượng thấp hơn để cung cấp nhiệt thúc đẩy phản ứng. Điều này xảy ra nhờ chất xúc tác bán dẫn tự phục hồi khi sử dụng, không xuống cấp như nhiều chất xúc tác khác trong lúc khai thác ánh sáng mặt trời.

Ngoài việc chịu được cường độ ánh sáng cao, thiết bị mới cũng hoạt động tốt ở điều kiện nhiệt độ cao – mức nhiệt độ có thể làm gây hại cho các chất bán dẫn trong máy tính. Nhiệt độ cao giúp tăng tốc quá trình tách nước, đồng thời duy trì sự chia tách giữa hydro và oxy thay vì tạo ra liên kết mới và trở thành nước một lần nữa, điều này giúp hiệu suất chuyển đổi đạt tới 9.1% ( điều kiện phòng thí nghiệm)

Trong thử nghiệm ngoài trời, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thấu kính có kích thước bằng cửa sổ nhà để hội tụ ánh sáng mặt trời vào tấm bảng thí nghiệm rộng vài cm. Trên bảng, chất xúc tác bán dẫn được bao phủ bởi một lớp nước sủi bọt khi khí hydro và oxy tách ra. Một lớp cách nhiệt đơn giản phía trên tấm bảng duy trì nhiệt độ ở mức 75 oC, đủ nóng để thúc đẩy phản ứng và cũng đủ mát để chất xúc tác bán dẫn hoạt động tốt. Kết quả cho thấy thiết bị thử nghiệm ngoài trời với ánh sáng và nhiệt độ kém ổn định, hiệu suất chuyển đổi đạt 6.1%.

Nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả chuyển đổi và độ tinh khiết của hydro để có thể trực tiếp cung cấp cho pin nhiên liệu.