Chuyển đổi tấm pin mặt trời thải thành hydro và vật liệu ắc quy thứ cấp
Tác giả: JooHyeon Heo, Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
Sơ đồ phản ứng NH3–Si (MAS) cơ hóa học. Nguồn: Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10245
Một nhóm nghiên cứu từ UNIST đã công bố một công nghệ mới có khả năng chiết xuất hydro (H₂) được lưu trữ trong amoniac (NH₃) bằng cách thêm silic (Si), đồng thời tạo ra H2 và silic nitrua (Si₃N₄) có độ tinh khiết cao. Quy trình cải tiến này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất hydro mà còn cho phép tái chế silic từ tấm pin mặt trời thải, thu hút sự chú ý đáng kể như một giải pháp bền vững.
Dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Jong-Beom Baek tại Khoa Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học thuộc UNIST, nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình nghiền bi có thể tạo ra H₂ tinh khiết 100% trực tiếp từ NH₃ ở nhiệt độ thấp.
Bài báo của họ, "Sản xuất hydro tinh khiết cao không cần tách chiết thông qua phản ứng amoniac-silicon cơ học trong điều kiện nhẹ" đã được xuất bản trên Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ số tháng 9 năm 2025.
NH3 được coi là một chất mang nhiên liệu sạch đầy hứa hẹn nhờ hàm lượng H₂ cao (17,6 wt%) và cơ sở hạ tầng lưu trữ và vận chuyển đã được thiết lập tốt. Tuy nhiên, các phương pháp thông thường để giải phóng H₂ từ amoniac đòi hỏi nhiệt độ cao (400–600°C) và các bước tinh chế bổ sung, dẫn đến tăng mức tiêu thụ năng lượng và chi phí.
Quy trình mới được phát triển này hoạt động ở nhiệt độ thấp đáng kể, khoảng 50°C, giúp giảm đáng kể nhu cầu năng lượng. Quy trình bao gồm việc đưa khí amoniac và silic dạng bột mịn vào một thùng chứa kín gọi là máy nghiền bi - chứa các hạt gốm hoặc thép nhỏ - và lắc mạnh. Tác động cơ học và ma sát sẽ kích hoạt silic, phân hủy nhanh chóng amoniac để giải phóng H₂. Trong quá trình này, nitơ (N₂) cũng được tạo ra nhưng phản ứng với silic tạo thành Si₃N₄, chất này vẫn nằm trong hệ thống thay vì thoát ra ngoài dưới dạng khí.
Kết quả thí nghiệm cho thấy amoniac phân hủy hoàn toàn, tạo ra H₂ với tốc độ 102,5 mmol mỗi giờ, với độ tinh khiết được xác nhận là 100%—không chứa nitơ hoặc các tạp chất khác. Đáng chú ý, khi sử dụng silic thu hồi từ các tấm pin mặt trời đã hết hạn sử dụng, quy trình này đạt được hiệu suất chuyển đổi cao và độ tinh khiết H₂ tương tự.
Si₃N₄, một vật liệu có giá trị cao được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ, có những ứng dụng đầy hứa hẹn trong pin thứ cấp. Pin lithium-ion kết hợp silicon nitride tổng hợp đạt dung lượng 391,5 mAh/g, duy trì hơn 80% dung lượng ban đầu sau 1.000 chu kỳ sạc-xả với hiệu suất Coulomb là 99,9%.
Các phân tích kinh tế cho thấy, khi tính đến doanh thu từ việc bán Si₃N₄ thu được từ các tấm pin mặt trời thải, chi phí sản xuất H₂ có thể âm - khoảng -7,14 USD/kg - khiến quy trình này có tiềm năng sinh lời và có lợi cho môi trường.
Giáo sư Baek phát biểu: "Phát triển này mang đến giải pháp cho thách thức lâu dài về tách và tinh chế H₂ trong nền kinh tế H₂ dựa trên amoniac. Sử dụng Si thu hồi từ các tấm pin mặt trời thải, quy trình này có hiệu suất tương đương với việc sử dụng bột silicon thương mại, chứng minh tính khả thi của nó như một công nghệ tái chế bền vững. Nó có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc quản lý hơn 80 triệu tấn chất thải quang điện dự kiến vào năm 2050."
Thông tin thêm: Seung-Hyeon Kim và cộng sự, Sản xuất hydro tinh khiết cao không cần tách thông qua phản ứng amoniac-silicon cơ học trong điều kiện nhẹ, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10245
Thông tin tạp chí: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ
Được cung cấp bởi Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
