Đột phá do Anh dẫn đầu mở ra con đường sản xuất hydro mặt trời ổn định, chi phí thấp
Một nhóm nghiên cứu hợp tác từ Đại học Hoàng gia London và Đại học Queen Mary London đã đạt được một cột mốc quan trọng trong công nghệ năng lượng bền vững, như được nêu chi tiết trong ấn phẩm mới nhất của họ trên tạp chí Nature Energy.
Nghiên cứu này hé lộ phương pháp tiên phong trong việc khai thác ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro hiệu quả và ổn định bằng cách sử dụng vật liệu hữu cơ tiết kiệm chi phí, có khả năng biến đổi cách chúng ta tạo ra và lưu trữ năng lượng sạch.
Nghiên cứu này giải quyết một thách thức lâu dài trong quá trình phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời-hydro: sự bất ổn định của các vật liệu hữu cơ như polyme và các phân tử nhỏ trong nước và sự kém hiệu quả do mất năng lượng tại các giao diện quan trọng. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một kiến trúc thiết bị nhiều lớp tích hợp một lớp quang hoạt hữu cơ với một tấm than chì bảo vệ được chức năng hóa bằng chất xúc tác niken-sắt. Thiết kế sáng tạo này đạt được sự kết hợp chưa từng có giữa hiệu suất cao và độ bền, thiết lập một chuẩn mực mới cho lĩnh vực này.
Tiến sĩ Flurin Eisner, Giảng viên về Năng lượng xanh tại Đại học Queen Mary, London, người dẫn đầu quá trình phát triển các lớp quang hoạt hữu cơ trong suốt dự án, cho biết:
Công trình của chúng tôi chứng minh rằng việc phân tách nước bằng năng lượng mặt trời ổn định, hiệu suất cao có thể đạt được bằng cách sử dụng các vật liệu hữu cơ có khả năng mở rộng, chi phí thấp,
“Các vật liệu hữu cơ có khả năng điều chỉnh cao về mặt tính chất của chúng, chẳng hạn như ánh sáng chúng hấp thụ và tính chất điện của chúng, điều đó có nghĩa là chúng có thể là một nền tảng cực kỳ linh hoạt để xây dựng nhiều cách khác nhau nhằm chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu (như hydro) hoặc thậm chí là hóa chất, mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên ở thực vật. Điều này mở ra những con đường mới thú vị cho sản xuất nhiên liệu và hóa chất bền vững.”
Trong nghiên cứu, thiết bị mới đạt được mật độ dòng điện quang trên 25 mA cm⁻² ở +1,23 V so với điện cực hydro thuận nghịch cho quá trình oxy hóa nước – một nửa phản ứng phân tách nước thành hydro và oxy bằng năng lượng mặt trời. Điều này thể hiện bước tiến lớn, vượt qua các hệ thống trước đây. Không giống như các thiết kế trước đây bị phân hủy trong vòng vài giờ, hệ thống mới cho thấy sự ổn định khi vận hành trong nhiều ngày. Thiết kế hỗ trợ nhiều loại vật liệu hữu cơ, mang lại sự linh hoạt cho các cải tiến trong tương lai về năng lượng mặt trời.
Để đạt được những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lớp quang hoạt hữu cơ heterojunction khối, tích hợp một tấm than chì tự dính được chức năng hóa với chất xúc tác oxyhydroxide niken-sắt có nhiều trong đất. Than chì không chỉ bảo vệ lớp quang hoạt khỏi sự phân hủy do nước gây ra mà còn duy trì các kết nối điện hiệu quả.
Tiến sĩ Matyas Daboczi, tác giả đầu tiên của nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Imperial (hiện là Nghiên cứu viên Marie Skłodowska-Curie tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng HUN-REN và là Nhà nghiên cứu thỉnh giảng tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Imperial), cho biết:
Ngoài hiệu quả kỷ lục và tính ổn định của các thiết bị hữu cơ của chúng tôi, kết quả của chúng tôi còn làm sáng tỏ sự đóng góp của các thành phần khác nhau trong quá trình suy thoái thiết bị, đây là một thách thức đáng kể của lĩnh vực này.
“Tôi tin rằng những hiểu biết sâu sắc và hướng dẫn của chúng tôi sẽ có giá trị trong việc cải thiện hơn nữa tính ổn định và hiệu suất của các thiết bị quang điện hóa hữu cơ như vậy để ứng dụng vào thực tế.”
Tiềm năng của bước đột phá này được thể hiện rõ hơn trong các thiết bị tách nước hoàn toàn, có khả năng tạo ra hydro từ nước và ánh sáng mà không cần thêm bất kỳ điện năng nào. Họ đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro là 5%, một thành tựu có thể đẩy nhanh đáng kể việc áp dụng, ví dụ, các công nghệ sản xuất hydro ngoài lưới điện.
Tiến sĩ Salvador Eslava , học giả đứng đầu nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Đại học Imperial, tuyên bố:
Kết quả này là sự cải thiện đáng kể về hiệu suất của thiết bị quang điện hữu cơ, đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro kỷ lục.
“Phương pháp này tận dụng những ưu điểm của các dị hợp khối hữu cơ, cung cấp dòng điện quang, điện áp quang, các nguyên tố dồi dào và dễ xử lý, rồi áp dụng chúng vào các điện cực của pin quang điện hóa.”
Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ thúc đẩy những tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực này, mở đường cho các ứng dụng trong thế giới thực. Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu xây dựng trên nền tảng này, khám phá những cải tiến về độ ổn định của vật liệu và mở rộng công nghệ để sử dụng trong công nghiệp.
Đột phá do Anh dẫn đầu mở ra con đường sản xuất hydro mặt trời ổn định, chi phí thấp
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
