Thiết bị tách nước thành hydro chạy bằng năng lượng mặt trời

Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí ACS Nano (Mỹ), các nhà khoa học trường Đại học Rice (bang Texas) đã chế tạo thành công một thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời mới, có cấu tạo đơn giản và có thể sản xuất nhiên liệu hydro bằng phương pháp tách nước. Tuy có cấu tạo tương tự với các thiết kế khác, nhưng hệ thống mới khác biệt ở điểm có khả năng tự hoạt động và có giá thành tương đối thấp.

Cấu tạo của thiết bị bao gồm một pin năng lượng mặt trời perovskite được nối với các điện cực làm từ chất xúc tác dùng để điện phân nước. Pin mặt trời sẽ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời để sản xuất và cung cấp năng lượng điện cho chất xúc tác, sau đó tách phân tử nước thành oxy và hydro. Những phân tử này sau đó sẽ nổi lên bề mặt nên có thể dễ dàng thu thập.

“Thiết bị này tương tự như một chiếc lá nhân tạo. Những gì chúng ta có được là một mô-đun tích hợp có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện thúc đẩy phản ứng điện hóa. Nó sử dụng nước và ánh sáng mặt trời để thu được các nhiên liệu hóa học”, tác giả chính của nghiên cứu - nhà khoa học vật liệu Jun Lou, trường Kỹ thuật Brown, thuộc Đại học Rice nói.

Nhóm nghiên cứu cho biết, thiết bị có thể đạt hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời sang hydro tới 6,7% - một con số được đánh giá là tương đối cao. Tuy nhiên, tính năng hữu ích nhất của công nghệ mới chính ở thiết kế khép kín. Theo đó, pin mặt trời và các điện cực đều được đặt trong cùng một khối, đặc biệt, các thành phần pin mặt trời được bọc bên trong lớp vỏ polymer bảo vệ chúng khỏi sự phá hủy và ăn mòn của nước trong khi vẫn hấp thụ hiệu quả năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Các điện cực được đặt ở phía bên ngoài. Điều này cho phép thiết kế để đặt được trong môi trường nước trong thời gian dài và vẫn hấp thụ trực tiếp ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro khi cần thiết.

Jun Lou cho biết: “Với thiết kế hệ thống thông minh, công nghệ mới có khả năng lưu giữ năng lượng dự trữ dưới dạng nhiên liệu hóa học, ngay cả trong điều kiện không có ánh sáng mặt trời, tạo ra một vòng lặp tự duy trì. Nhiên liệu hydro và oxy thu được có thể được đặt trong các khoang chứa riêng biệt và kết hợp một mô-đun khác như pin nhiên liệu để biến đổi năng lượng hóa học của hydro và oxy thành năng lượng điện”.

Nhóm nghiên cứu cũng chia sẻ họ đã tiến hành điều chỉnh pin mặt trời perovskite để có thể sử dụng những vật liệu có giá thành thấp như carbon thay vì sử dụng bạch kim vốn là một loại vật liệu khan hiếm và đắt tiền. Điều này giúp giảm thiểu chi phí sản xuất thiết bị và việc sản xuất thương mại cũng trở nên khả thi hơn.

Chìa khóa cho việc này là các nhà khoa học đã thêm một màng polymer xung quanh pin perovskite để bảo vệ nó khỏi bị hư hại nếu chìm trong nước. Trong khi bảo vệ pin mặt trời, polymer cũng cho phép ánh sáng mặt trời xuyên qua và đóng vai trò là chất cách điện giữa các tế bào và các điện cực. Những cải tiến này giúp thiết bị có thể cung cấp một nguồn năng lượng tự duy trì.

"Các thiết bị tích hợp như thế này rất hứa hẹn vì chúng tạo ra một hệ thống bền vững", Jun Lou nhấn mạnh.

Các nhà khoa học cũng đang thử nghiệm sử dụng perovskite và các vật liệu khác song song, nhằm cải thiện lượng điện có thể tạo ra từ ánh sáng mặt trời.

Có thể còn quá sớm để bắt đầu chuyển đổi tất cả các xe ô tô sang sử dụng pin nhiên liệu hydro không phát thải, nhưng các nhà nghiên cứu thiết bị này nói rằng việc mở rộng công nghệ tương đối dễ dàng để thiết bị có thể sử dụng rộng rãi hơn. Hơn nữa, ngoài nhiên liệu hydro, thiết kế lá nhân tạo còn được đánh giá là giải pháp sản xuất điện, thuốc, phân bón, khí tổng hợp và các hợp chất hóa học hữu ích khác hiệu quả.