Phương pháp mới sản xuất hydro sạch, thân thiện với môi trường

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas - Austin (Mỹ) vừa tìm ra một phương pháp có chi phí thấp, giải một nửa phương trình tách nước tạo ra hydro dưới dạng năng lượng sạch bằng năng lượng ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả.

Phương pháp mới được công bố trên tạp chí Nature Communications là một bước tiến trong nỗ lực đẩy mạnh sử dụng hydro sạch như một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng năng lượng.

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học trên toàn thế giới luôn nỗ lực tìm kiếm các giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra phản ứng then chốt, sản xuất hydro như một nguồn năng lượng sạch, tách các phân tử nước để tạo ra hydro và oxy. Tuy nhiên, đều thất bại do quy trình sản xuất quá đắt đỏ. Việc tìm kiếm giải pháp giảm chi phí lại dẫn đến hiệu quả sản xuất kém.

GS Edward Yu, Khoa Điện và Máy tính tại Trường Cockrell, Đại học Texas (Austin) cho biết, cần phải có những vật liệu có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời và đồng thời không bị phân hủy khi phản ứng tách nước diễn ra.

Các vật liệu hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời có xu hướng không ổn định trong những điều kiện cần thiết cho phản ứng phân tách nước, các vật liệu ổn định trong phản ứng lại có xu hướng hấp thụ ánh sáng mặt trời kém.

Những mâu thuẫn này khiến các nhà khoa học phải tìm cách kết hợp nhiều vật liệu hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời như silicon và một vật liệu khác cung cấp độ ổn định tốt như silicon dioxide vào một thiết bị duy nhất để giải quyết trở ngại này.

Tuy nhiên, sự kết hợp này lại tạo ra một thách thức khác. Đó là các electron và lỗ hổng, tạo ra do sự hấp thụ ánh sáng mặt trời trong silicon phải có thể di chuyển dễ dàng qua lớp silicon dioxide. Điều này thường yêu cầu lớp silicon dioxide chỉ được dày không quá vài nanomet, nhưng lại giảm hiệu quả bảo vệ chất hấp thụ silicon chống suy thoái.

Theo đó, chìa khóa của phương pháp mới này là sử dụng một giải pháp kỹ thuật tạo ra các đường dẫn điện thông qua lớp silicon dioxide dày, được thực hiện với chi phí thấp và có khả năng sản xuất dễ dàng với quy mô lớn.

Để đạt được điều đó, Edward Yu và nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật lần đầu tiên được triển khai trong sản xuất chip điện tử bán dẫn. Bằng cách phủ lên lớp silicon dioxide một màng nhôm mỏng và sau đó nung nóng toàn bộ cấu trúc, các mảng "gai" nhôm có kích thước nano kết nối hoàn toàn với lớp silicon dioxide được hình thành. Tiếp theo, các mảng "gai" nhôm có thể dễ dàng được thay thế bằng niken hoặc các vật liệu khác giúp xúc tác phản ứng tách nước.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, thiết bị có thể oxy hóa nước một cách hiệu quả để tách các phân tử oxy, đồng thời tạo ra hydro tại một điện cực riêng biệt và thể hiện sự ổn định vượt trội trong thời gian hoạt động kéo dài.

Được biết, hydro là nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng với những tính chất độc đáo. Ngoài ra, nó đóng vai trò quan trọng trong các quy trình công nghiệp và đang được nghiên cứu để ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Pin nhiên liệu có tiềm năng lớn trong vận tải đường dài, công nghệ sản xuất hydro cũng là một giải pháp quan trọng để lưu trữ năng lượng từ điện gió và điện mặt trời dư thừa trong sản xuất năng lượng tái tạo.

Hầu hết hydro ngày nay được sản xuất thông qua quy trình đốt nóng hơi nước và khí methane, nhưng điều đó phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch và tạo ra khí thải carbon. Do vậy, quy trình mới này có thể thấy rất thân thiện với môi trường.

Lan Anh (T/h)