Hướng tới Hydro Mặt Trời Sạch Hơn và Rẻ Hơn: Ưu Điểm Của Polyme Liên Hợp Soát So với Bạch Kim
Đăng ngày 15 tháng 1 năm 2026
bởi Morgane Gillard trong Hóa học và Công nghệ sinh học
Sản xuất hydro xanh bền vững hơn và ít tốn kém hơn là thách thức mà một nhóm các nhà nghiên cứu Thụy Điển đang theo đuổi. Bằng cách thay thế bạch kim bằng các hạt nano nhựa dẫn điện, họ đang mở đường cho việc sản xuất hydro mặt trời sạch hơn và dễ triển khai trên quy mô lớn.
Trong nỗ lực toàn cầu tìm kiếm năng lượng sạch và bền vững, hydro xanh là một trong những giải pháp năng lượng đầy hứa hẹn nhất. Chỉ tạo ra nước như một sản phẩm phụ trong quá trình đốt cháy, nó thực sự là một thành phần quan trọng của các hệ thống năng lượng tái tạo trong tương lai. Tuy nhiên, để sản xuất hydro quy mô lớn trở nên khả thi, vẫn cần phải vượt qua một số trở ngại kỹ thuật và kinh tế, đặc biệt là việc sử dụng các kim loại quý như bạch kim.
Bạch kim trong sản xuất hydro: Một trở ngại cho sự phát triển của nguồn năng lượng này
Bạch kim hiện là một thành phần quan trọng trong các chất xúc tác quang học thông thường được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro. Bạch kim đóng vai trò là chất xúc tác phụ giúp tăng tốc phản ứng sản xuất hydro từ nước. Tuy nhiên, kim loại quý này rất hiếm, đắt tiền và việc khai thác nó tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc sản xuất bạch kim cũng chỉ tập trung ở một vài khu vực trên thế giới, điều này gây ra rủi ro về nguồn cung, sự phụ thuộc chiến lược và tác động đến môi trường. Những hạn chế này từ lâu đã cản trở việc ứng dụng rộng rãi công nghệ năng lượng mặt trời trên quy mô công nghiệp.
Do đó, việc phát triển các chất thay thế cho bạch kim được coi là mục tiêu chính của nghiên cứu năng lượng hiện nay.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển vừa đạt được một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực này. Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials, các nhà khoa học đã trình bày một phương pháp sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời mà không cần sử dụng bạch kim, thay vào đó sử dụng các hạt nano nhựa dẫn điện gọi là polyme liên hợp. Phát minh này có thể mở đường cho việc sản xuất hydro hiệu quả hơn, bền vững hơn và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.
Polyme liên hợp: chất thay thế bạch kim hiệu quả cao
Polyme liên hợp là một loại chất bán dẫn hữu cơ, tương tự như chất bán dẫn vô cơ như silic. Chúng được phát hiện vào những năm 1970. Tính chất điện đáng chú ý của chúng, bất chấp bản chất dẻo, đã giúp chúng giành được giải Nobel Hóa học năm 2000.
Polyme liên hợp cho sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời
Polyme liên hợp là một lựa chọn thay thế thú vị cho bạch kim trong sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời © Đại học Công nghệ Chalmers, Henrik Sandsjö
Trong phương pháp mới này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế các polyme liên hợp giá rẻ dựa trên các đơn vị phân tử cụ thể—đặc biệt là dựa trên dibenzothiophene-S,S-sulfoxide (BTSO)—và biến đổi chúng thành các hạt nano phân tán trong nước bằng phương pháp kết tủa nano. Cấu trúc này cho phép chúng tương tác hiệu quả với ánh sáng mặt trời và xúc tác sản xuất hydro mà không cần chất xúc tác kim loại như bạch kim.
Sự hình thành bong bóng hydro
Việc sử dụng polyme liên hợp đảm bảo quá trình quang xúc tác hiệu quả, với các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chứng minh rõ ràng sự hình thành bong bóng hydro. © Đại học Công nghệ Chalmers, Mia Halleröd Palmgren
Các thử nghiệm ban đầu khá khả quan: chúng cho thấy các hạt nano này có khả năng sản xuất hydro với hiệu suất rất cao. “Chỉ với một gam polyme, chúng tôi đã có thể sản xuất 30 lít hydro trong một giờ,” Alexandre Holmes, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, hiệu quả của quá trình này rất ấn tượng: khi các hạt nano nhựa dẫn điện được phân tán trong cốc nước và chiếu đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời, các bong bóng hydro hình thành gần như ngay lập tức. Cụ thể hơn, tốc độ sản xuất đạt hơn 209 mmol H₂ trên mỗi gam chất xúc tác quang mỗi giờ, cho thấy hiệu suất tương đương với một số hệ thống dựa trên bạch kim truyền thống.
Dựa trên những kết quả này, các nhà nghiên cứu không có ý định dừng lại ở đó. Mục tiêu tiếp theo của họ là loại bỏ nhu cầu sử dụng một thành phần đắt tiền khác: vitamin C.
Hướng tới sản xuất thực sự bền vững
Hiện nay, vitamin C (axit ascorbic) được sử dụng như một chất chống oxy hóa hy sinh. Là một chất cho electron, vitamin C ngăn chặn sự giải phóng electron từ chất xúc tác quang.
Phản ứng này dễ bị đình trệ, cho phép đạt được tốc độ sản xuất hydro cao trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, lý tưởng nhất là các nhà nghiên cứu muốn phát triển một quy trình chỉ dựa trên ánh sáng mặt trời và nước, loại bỏ nhu cầu sử dụng vitamin C hoặc bất kỳ hóa chất nào khác, với mục tiêu sản xuất hydro mặt trời thực sự bền vững và chi phí thấp.
“Việc loại bỏ việc sử dụng bạch kim trong hệ thống này là một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất hydro bền vững cho xã hội. Hiện chúng tôi đang bắt đầu khám phá các vật liệu và chiến lược nhằm đạt được sự phân ly hoàn toàn của nước mà không cần chất phụ gia. Điều này sẽ mất thêm vài năm nữa, nhưng chúng tôi tin rằng mình đang đi đúng hướng,” Giáo sư Ergang Wang thuộc Khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Chalmers cho biết.
Nếu những công nghệ này tiếp tục phát triển, chúng có thể làm giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro mặt trời và giúp khắc phục một trong những nút thắt chính trong quá trình chuyển đổi năng lượng hiện nay, từ đó mở ra con đường hướng tới năng lượng sạch hơn, dễ tiếp cận hơn và bền vững hơn trong tương lai.
