Các nanodây bán dẫn thu được ánh sáng mặt trời khuếch tán để phân tách nước và lưu trữ năng lượng dưới dạng hydro
Tác giả: Geoff McMaster, Đại học Alberta
Nguồn: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c01824
Một nhà nghiên cứu kỹ thuật của U of A đang sử dụng ánh sáng mặt trời và chất xúc tác bán dẫn để sản xuất hydro bằng cách phân tách các phân tử nước thành các thành phần cấu thành của chúng.
"Quy trình tạo thành chất bán dẫn, được gọi là trùng hợp ngưng tụ nhiệt, sử dụng các vật liệu rẻ tiền và có sẵn trên Trái đất, và cuối cùng có thể dẫn đến một con đường hiệu quả hơn, tiết kiệm hơn để tạo ra năng lượng sạch so với các công nghệ năng lượng mặt trời hiện có", Karthik Shankar, trưởng nhóm dự án thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, một chuyên gia trong lĩnh vực quang xúc tác, cho biết.
Trong sự hợp tác giữa U of A và Đại học Kỹ thuật Munich, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Shankar sử dụng cacbon nitrua có nguồn gốc từ urê—một loại hóa chất phổ biến được sử dụng trong phân bón—để hấp thụ ánh sáng mặt trời, giúp kích thích các electron lên mức năng lượng cao hơn. Mỗi electron và "lỗ" còn lại khi không có electron sẽ tạo ra hai bán hạt theo thuật ngữ lượng tử được gọi là "cặp lỗ electron".
Nếu để tự nhiên, các bán hạt sẽ kết hợp lại để khôi phục trạng thái cân bằng. Khi tiếp xúc với chất xúc tác titan dioxide, cacbon nitrua tạo thành một mối nối giữa các chất bán dẫn không giống nhau, được gọi là dị chất bán dẫn, ngăn chúng kết hợp lại.
Titan dioxide—một vật liệu rẻ và dồi dào khác—liên kết với các electron cacbon nitrua, phản ứng với proton để tạo ra hydro. Lỗ liên kết với các ion hydroxyl trong nước, tạo ra oxy.
Shankar cho biết, đã có công nghệ cho bước đầu tiên trong quy trình này, tạo ra cặp electron thông qua quang điện kết hợp với điện phân, nhưng quy trình gồm hai phần này tốn kém hơn và kém hiệu quả hơn.
"Bạn sử dụng tấm pin mặt trời để tạo ra điện, sau đó sử dụng điện đó để thực hiện quá trình phân tách nước khô thông qua điện phân", ông nói. "Điều đó liên quan đến rất nhiều tổn thất năng lượng, trong khi sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để tạo ra hydro hiệu quả hơn nhiều".
Công nghệ của Shankar giải quyết hai vấn đề vốn có trong pin mặt trời. Đầu tiên, các pin chỉ hoạt động không liên tục tùy thuộc vào sự hiện diện của ánh sáng mặt trời và kém hiệu quả hơn nhiều khi ánh sáng mặt trời gián tiếp. Bề mặt carbon nitride của Shankar, được thiết kế với các nanowire định hướng theo chiều dọc để thu ánh sáng khuếch tán từ mọi góc độ, có thể hoạt động ngay cả trong những ngày nhiều mây.
Năng lượng do pin mặt trời tạo ra cũng phải được lưu trữ và những tiến bộ trong công nghệ pin tương đối chậm chạp. Nhiên liệu hydro hoạt động như một kho lưu trữ hiệu quả. "Ở dạng nén, nó đặc và dễ mang theo—có thể sử dụng bất cứ khi nào bạn cần", Shankar nói.
Ông nói thêm rằng công nghệ tấm pin mặt trời cũng phụ thuộc rất nhiều vào silicon, với quang điện silicon chiếm 85% thị trường toàn cầu.
"Quy trình sản xuất tấm pin quang điện có dấu chân môi trường cực lớn", Shankar cho biết, đồng thời nói thêm rằng silicon phải được nung nóng đến 2.000 hoặc 3.000 độ C, tạo ra lượng khí thải CO2, NOx và SO2 cao.
Và trong khi silicon là một trong những nguyên tố dồi dào nhất trong lớp vỏ Trái đất, Shankar cho biết, 75% trong số đó được sản xuất tại Trung Quốc và Nga—"không hẳn là những người bạn tốt nhất của phương Tây"—để sử dụng cho mục đích thương mại.
Ngoài việc rẻ và dồi dào, carbon nitride còn có khả năng phục hồi hóa học, tính linh hoạt cơ học và độ ổn định nhiệt đáng kinh ngạc, chịu được nhiệt độ vài trăm độ C và chống lại nhiều loại axit và bazơ.
Melamine, một loại hóa chất có sẵn rộng rãi được sử dụng trong ngành xi măng và để sản xuất đồ ăn bằng nhựa và đồ gỗ ép, cũng có thể được sử dụng trong quy trình này thay cho carbon nitride. Phòng thí nghiệm của Shankar cũng đã sản xuất hydro từ methanol—không sạch bằng khi sử dụng nước nhưng hữu ích trong một số trường hợp.
Nếu mọi việc diễn ra tốt đẹp, thương mại hóa quy mô lớn có thể trở thành hiện thực trong vòng ba đến năm năm nữa, ông nói.
Thông tin thêm: Narendra Chaulagain và cộng sự, Sự phát triển dị vòng của Nitride cacbon giàu dải hẹp bằng cách sử dụng quá trình trùng hợp tại chỗ để tăng cường quá trình phân tách nước quang điện hóa do ánh sáng mặt trời thúc đẩy, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c01824
Thông tin tạp chí: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ
