Đột phá trong sản xuất hydro: Phân tách H₂ dị thể nhờ ánh sáng ở nhiệt độ phòng
Bạn có bao giờ tưởng tượng dùng ánh sáng mặt trời để tách phân tử hydro ngay ở nhiệt độ phòng chưa? Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (DICP), phối hợp với Đại học Trieste, đã làm được điều đó. Dưới sự dẫn dắt của GS. Wang Feng và GS. Paolo Fornasiero, nhóm đã phát triển phương pháp phân tách hydro dị thể quang xúc tác sử dụng chất xúc tác Au/TiO₂ hoạt động trong điều kiện môi trường. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với sản xuất hydro và năng lượng bền vững.
Tái tưởng tượng kích hoạt hydro
Phương pháp hydro hóa truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng: gia nhiệt chất xúc tác nickel hoặc platinum tới 100–300 °C, tăng áp suất lên 10–50 bar. Phương pháp này phát thải CO₂ và không thân thiện với môi trường. Việc phân tách H₂ thành proton và hydride ở nhiệt độ phòng là mục tiêu lâu nay trong tổng hợp hóa chất tinh vi—nhưng trước đây chỉ là giấc mơ.
Đột phá Au/TiO₂
Chiếu tia UV lên các hạt TiO₂ tạo ra electron và lỗ trống. Electron di chuyển tới các đảo vàng trên bề mặt, trong khi lỗ trống tập trung tại mối nối Au–O–Ti, giúp phân tách H₂ dị thể ở nhiệt độ phòng và áp suất 1 atm. Các nghiên cứu phổ và thử nghiệm đồng vị đã xác nhận hiệu quả.
Điểm mấu chốt là giải quyết vấn đề electron-lỗ trống tái hợp, vốn hạn chế hiệu suất trong quang xúc tác. Nhờ thiết kế giao diện thông minh, electron và lỗ trống tồn tại đủ lâu để tách H₂ hiệu quả.
Chuyển đổi CO₂ trực tiếp
Hydro vừa tạo được đưa vào hydro hóa CO₂ trong lò phản ứng quang xúc tác dạng lớp cố định. Kết quả: gần 100% chuyển đổi CO₂ trong một lần đi qua với độ chọn lọc trên 99% đối với etan. Nói đơn giản, CO₂ và H₂ dưới ánh sáng có thể chuyển thành etan, phục vụ sản xuất nhựa, dung môi hoặc nhiên liệu—với phản ứng ổn định trên 1.500 giờ.
Ý nghĩa công nghiệp
Hydro hóa dưới nhiệt độ và áp suất cao tiêu tốn nhiều năng lượng trong ngành hóa chất. Kích hoạt H₂ nhờ ánh sáng giúp giảm 30–50% năng lượng, giảm phát thải, và hạn chế nguy cơ với bình hydro cao áp. Công nghệ này có thể nâng cấp các lò phản ứng hiện hữu, giúp nhà máy than hoặc hóa chất chuyển đổi CO₂ thành hydrocarbon giá trị bằng năng lượng mặt trời.
Chính sách và đầu tư
Các chính phủ ưu tiên hydro xanh và công nghệ thấp-carbon. Tại Trung Quốc, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đưa quang xúc tác vào kế hoạch 5 năm. Ở châu Âu, Horizon Europe hỗ trợ các dự án chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu. DICP và Đại học Trieste được hưởng lợi từ dòng vốn này.
Với các công ty, công nghệ này dễ tích hợp vào nhà máy amoniac hoặc methanol hiện có, tăng hiệu suất mà không cần xây dựng mới. CAPEX và OPEX thấp hơn, cùng khả năng kết hợp với các trang trại năng lượng mặt trời, tạo cơ hội hấp dẫn cho nhà đầu tư.
Từ phòng thí nghiệm đến thử nghiệm quy mô pilot
Sau 1.500 giờ hoạt động liên tục, chất xúc tác Au/TiO₂ vẫn giữ hiệu suất. Các biến thể như Au/N-TiO₂ và Au/CeO₂ cũng hoạt động tốt. Thí nghiệm với mô phỏng ánh sáng mặt trời đạt cùng hiệu quả, mở đường cho lò phản ứng chạy trực tiếp bằng ánh sáng mặt trời.
Hiện nay, nhóm nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế lò, kích thước hạt vàng và chất đồng xúc tác. Nhà máy thử nghiệm dự kiến đi vào 2027, hợp tác với doanh nghiệp đẩy nhanh thương mại hóa.
Triển vọng tương lai
Ngoài CO₂ → etan, phương pháp này có thể tạo ethylene, propylene, hoặc amoniac, thậm chí với ánh sáng khả kiến nhờ kim loại plasmonic. Hiện còn phụ thuộc UV, nhưng TiO₂ pha tạp và bán dẫn mới có thể sử dụng ánh sáng mặt trời hoàn toàn.
Tầm nhìn cuối cùng: các đơn vị hydro hóa nhờ ánh sáng có thể tích hợp vào khu công nghiệp hóa chất, chuyển CO₂ và ánh sáng mặt trời thành hóa chất thiết yếu.
Kết luận
Đột phá từ DICP và Đại học Trieste chứng minh rằng tách H₂ bằng ánh sáng, tưởng chừng đơn giản, có thể thắp sáng con đường phát triển hạ tầng hydro toàn cầu.
