Các chuyên gia tiết lộ cách thức tiến bộ công nghệ có thể sử dụng mặt trời để tạo ra nhiên liệu hydro
Các bước tiếp theo quan trọng để phân tách nước bằng năng lượng mặt trời quy mô lớn bằng chất xúc tác quang. Ảnh: Hisatomi et al/Frontiers. Nguồn: Hisatomi et al/Frontiers
Trong tương lai, chúng ta có thể cung cấp nhiên liệu cho thế giới bằng ánh sáng mặt trời và nước—sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiên liệu hydro từ H2O. Hiện tại, hầu hết hydro được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào và nhiên liệu đều có nguồn gốc từ khí tự nhiên, do đó không giúp chúng ta cắt giảm nhiên liệu hóa thạch.
Nhưng các nhà khoa học Nhật Bản đang dẫn đầu hướng tới tương lai sử dụng hydro, với các tấm quang xúc tác mới, dễ sản xuất và một lò phản ứng dạng tấm chứng minh khái niệm cho thấy có thể tinh chế nhiên liệu hydro từ nước ở quy mô lớn.
"Phân tách nước bằng ánh sáng mặt trời sử dụng chất xúc tác quang là công nghệ lý tưởng để chuyển đổi và lưu trữ năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học, và những phát triển gần đây trong vật liệu và hệ thống quang xúc tác làm dấy lên hy vọng về việc hiện thực hóa công nghệ này", Giáo sư Kazunari Domen của Đại học Shinshu, tác giả chính của bài báo trên Frontiers in Science, cho biết. "Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức".
Năng lượng hơi nước cho thế kỷ 21
Để sử dụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước thành oxy và hydro, chúng ta cần chất xúc tác quang. Dưới ánh sáng, các chất xúc tác này thúc đẩy các phản ứng hóa học phân tách nước. Trong các hệ thống kích thích một bước, chất xúc tác quang phân tách nước thành hydro và oxy. Các hệ thống này đơn giản nhưng không hiệu quả, với tỷ lệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro rất thấp.
Hiện nay, hiệu quả hơn là các hệ thống kích thích hai bước, trong đó một chất xúc tác quang phân tách hydro từ nước và chất kia phân tách oxy từ nước.
"Rõ ràng là công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời không thể hoạt động vào ban đêm hoặc trong thời tiết xấu", Tiến sĩ Takashi Hisatomi của Đại học Shinshu, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Nhưng bằng cách lưu trữ năng lượng của ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hóa học của vật liệu nhiên liệu, chúng ta có thể sử dụng năng lượng mọi lúc mọi nơi".
Các hệ thống này có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro cao hơn—nhưng chúng vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng. Chúng ta cần xác định các chất xúc tác quang hiệu quả và bền vững nhất, phải đủ mạnh để chịu được các hoạt động khởi động và tắt máy hàng ngày khi mặt trời mọc và lặn.
Chúng ta cũng cần tăng hiệu suất chuyển đổi càng nhiều càng tốt, để giảm thiểu lượng không gian vật lý cần thiết cho lò phản ứng và làm cho lò phản ứng tiết kiệm chi phí vận hành—hiện tại, sử dụng khí đốt tự nhiên để tinh chế nhiên liệu hydro vẫn rẻ hơn.
Một vấn đề khác là nhiều phương pháp phân tách oxy và hydro tạo ra oxyhydro, một chất dễ nổ. Rủi ro này có thể được loại bỏ bằng cách sản xuất oxy và hydro riêng biệt hoặc được quản lý bằng cách sử dụng các tiêu chí thiết kế do nhóm của Domen và Hisatomi xác định.
Bằng cách thử nghiệm với oxyhydrogen, họ xác định rằng nếu khí được đốt cháy trong một khoang nhỏ, hẹp, nó sẽ không phát nổ. Vật liệu cũng rất quan trọng: nhựa PVC mềm không phát nổ gây thiệt hại nếu oxyhydrogen bắt lửa.
Tương lai của nhiên liệu
Nhóm của Domen và Hisatomi đã đưa ra bằng chứng thành công về khái niệm, vận hành lò phản ứng 100 m2 trong ba năm. Lò phản ứng này thậm chí còn hoạt động tốt hơn khi đối mặt với ánh sáng mặt trời thực tế so với điều kiện trong phòng thí nghiệm.
"Trong hệ thống của chúng tôi, sử dụng chất xúc tác quang phản ứng với tia cực tím, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cao hơn khoảng một lần rưỡi dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên", Hisatomi cho biết.
"Ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn mô phỏng sử dụng quang phổ từ một vùng vĩ độ hơi cao. Ở một khu vực mà ánh sáng mặt trời tự nhiên có nhiều thành phần bước sóng ngắn hơn ánh sáng mặt trời tham chiếu mô phỏng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể cao hơn. Tuy nhiên, hiện tại hiệu suất dưới ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn mô phỏng chỉ đạt 1% ở mức tốt nhất và sẽ không đạt hiệu suất 5% dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên".
Để đưa công nghệ tiến lên và phá vỡ rào cản 5% đó, nhóm nghiên cứu cho biết cần có nhiều nhà nghiên cứu hơn phát triển các chất xúc tác quang hiệu quả hơn và xây dựng các lò phản ứng thử nghiệm lớn hơn. Cần có nhiều thí nghiệm thực tế hơn để phát triển công nghệ đến mức hydro trở thành một lựa chọn nhiên liệu khả thi.
Là một phần của việc này, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh đến nhu cầu thiết lập các quy định về an toàn và tiêu chuẩn hiệu quả. Một cơ quan công nhận và cấp phép sẽ giúp đảm bảo phát triển công nghệ một cách an toàn, trong khi các phương pháp chuẩn hóa để xác định hiệu quả sẽ giúp xác định các hệ thống hiệu quả nhất.
"Khía cạnh quan trọng nhất cần phát triển là hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời sang năng lượng hóa học bằng chất xúc tác quang", Domen giải thích.
"Nếu được cải thiện ở mức độ thực tế, nhiều nhà nghiên cứu sẽ làm việc nghiêm túc để phát triển công nghệ sản xuất hàng loạt và quy trình tách khí, cũng như xây dựng nhà máy quy mô lớn. Điều này cũng sẽ thay đổi cách nhiều người, bao gồm cả các nhà hoạch định chính sách, suy nghĩ về việc chuyển đổi năng lượng mặt trời và đẩy nhanh quá trình phát triển cơ sở hạ tầng, luật pháp và quy định liên quan đến nhiên liệu mặt trời".
