Đột phá “lượng tử” trong sản xuất hydrogen từ ánh sáng có thể thay đổi cuộc chơi photocatalysis
Ngày 02/04/2026 – Annie Nguyễn biên tập
Một bước tiến quan trọng trong công nghệ sản xuất hydrogen sạch vừa được ghi nhận tại Hoa Kỳ, khi các nhà khoa học phát triển thành công vật liệu “siêu mạng lượng tử” (quantum superlattice) giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của quá trình quang xúc tác (photocatalysis).
Công nghệ này tập trung vào bài toán cốt lõi của điện phân quang hóa: làm thế nào để tận dụng hiệu quả các electron và lỗ trống sinh ra khi vật liệu hấp thụ ánh sáng. Trong các hệ thống truyền thống, phần lớn năng lượng bị thất thoát do hiện tượng tái kết hợp điện tích, khiến hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydrogen còn thấp.
Giải pháp mới sử dụng cấu trúc vật liệu nano xếp lớp giữa gallium nitride (GaN) và indium gallium nitride (InGaN), tạo thành một “siêu mạng” có khả năng kéo dài thời gian tồn tại của các hạt mang điện (exciton). Nhờ đó, các electron có nhiều thời gian hơn để tham gia phản ứng tách nước, từ đó nâng cao hiệu suất tạo hydrogen.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydrogen (solar-to-hydrogen efficiency) khoảng 3,16% trong điều kiện phòng thí nghiệm, và khoảng 1,64% trong thử nghiệm ngoài trời với cường độ ánh sáng cao.
Dù các con số này chưa đủ để thương mại hóa ngay lập tức, đây được xem là bước tiến đáng kể đối với lĩnh vực photocatalysis – một công nghệ vốn được đánh giá có tiềm năng chi phí thấp nhưng gặp nhiều hạn chế về hiệu suất trong suốt nhiều thập kỷ.
Về bản chất, photocatalysis cho phép sản xuất hydrogen trực tiếp từ nước và ánh sáng mặt trời mà không cần điện lưới hay hệ thống điện phân truyền thống. Điều này mở ra khả năng triển khai các hệ thống sản xuất hydrogen phân tán, đặc biệt tại các khu vực có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào.
Đột phá lần này cho thấy việc ứng dụng vật liệu lượng tử và kỹ thuật nano có thể là chìa khóa để vượt qua các giới hạn vật lý hiện tại của công nghệ. Nếu tiếp tục được cải thiện về hiệu suất và độ bền, photocatalysis có thể trở thành một trong những hướng đi chiến lược trong sản xuất hydrogen xanh, bên cạnh điện phân truyền thống.
Trong dài hạn, công nghệ này có tiềm năng giảm đáng kể chi phí sản xuất hydrogen, đồng thời đơn giản hóa hạ tầng, góp phần thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu.
