Hydro rẻ, bền vững: Chất xúc tác mới hiệu quả gấp 10 lần so với các thiết bị tách nước chạy bằng năng lượng mặt trời trước đây
bởi Đại học Michigan
Peng Zhou sử dụng một thấu kính lớn để tập trung ánh sáng mặt trời vào chất xúc tác tách nước. Ở ngoài trời, thiết bị này hiệu quả gấp mười lần so với những nỗ lực tách nước bằng năng lượng mặt trời trước đó. Nguồn: Brenda Ahearn/Michigan Kỹ thuật, Truyền thông và Tiếp thị
Một loại bảng năng lượng mặt trời mới, được phát triển tại Đại học Michigan, đã đạt được hiệu suất 9% trong việc chuyển đổi nước thành hydro và oxy—bắt chước một bước quan trọng trong quá trình quang hợp tự nhiên. Ngoài trời, nó đại diện cho một bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, hiệu quả hơn gần 10 lần so với các thí nghiệm tách nước bằng năng lượng mặt trời thuộc loại này.
Nhưng lợi ích lớn nhất là giảm chi phí hydro bền vững. Điều này được kích hoạt bằng cách thu nhỏ chất bán dẫn, thường là phần đắt nhất của thiết bị. Chất bán dẫn tự phục hồi của nhóm chịu được ánh sáng tập trung tương đương với 160 mặt trời.
Hiện tại, con người sản xuất hydro từ khí mê-tan nhiên liệu hóa thạch, sử dụng rất nhiều năng lượng hóa thạch trong quá trình này. Tuy nhiên, thực vật thu hoạch nguyên tử hydro từ nước nhờ ánh sáng mặt trời. Khi nhân loại cố gắng giảm lượng khí thải carbon, hydro trở nên hấp dẫn với cả vai trò là nhiên liệu độc lập và là một thành phần trong nhiên liệu bền vững được tạo ra từ carbon dioxide tái chế. Tương tự như vậy, nó cần thiết cho nhiều quy trình hóa học, chẳng hạn như sản xuất phân bón.
"Cuối cùng, chúng tôi tin rằng các thiết bị quang hợp nhân tạo sẽ hiệu quả hơn nhiều so với quang hợp tự nhiên, điều này sẽ tạo ra con đường hướng tới tính trung hòa carbon", Zetian Mi, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính của Đại học U-M, người đứng đầu nghiên cứu đã báo cáo trên Nature, cho biết.
Kết quả nổi bật đến từ hai bước tiến. Đầu tiên là khả năng tập trung ánh sáng mặt trời mà không phá hủy chất bán dẫn khai thác ánh sáng.
"Chúng tôi đã giảm kích thước của chất bán dẫn hơn 100 lần so với một số chất bán dẫn chỉ hoạt động ở cường độ ánh sáng yếu", Peng Zhou, nhà nghiên cứu của UM về kỹ thuật điện và máy tính và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Hydro được sản xuất bởi công nghệ của chúng tôi có thể rất rẻ."
Và cách thứ hai là sử dụng cả phần năng lượng cao hơn của quang phổ mặt trời để tách nước và phần thấp hơn của quang phổ để cung cấp nhiệt khuyến khích phản ứng. Điều kỳ diệu được kích hoạt bởi chất xúc tác bán dẫn tự cải thiện khi sử dụng, chống lại sự xuống cấp mà các chất xúc tác đó thường gặp phải khi chúng khai thác ánh sáng mặt trời để điều khiển các phản ứng hóa học.
Ngoài việc xử lý cường độ ánh sáng cao, nó có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ cao gây hại cho chất bán dẫn máy tính. Nhiệt độ cao hơn đẩy nhanh quá trình tách nước và nhiệt tăng thêm cũng khuyến khích hydro và oxy duy trì sự tách biệt thay vì làm mới liên kết của chúng và tạo thành nước một lần nữa. Cả hai điều này đã giúp nhóm thu được nhiều hydro hơn.
Đối với thí nghiệm ngoài trời, Zhou đã thiết lập một thấu kính có kích thước bằng cửa sổ nhà để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một tấm bảng thí nghiệm có bề ngang chỉ vài inch. Trong bảng điều khiển đó, chất xúc tác bán dẫn được bao phủ trong một lớp nước, sủi bọt khí hydro và oxy mà nó tách ra.
Cận cảnh tấm pin với chất xúc tác bán dẫn và nước bên trong. Các bong bóng hydro và oxy di chuyển lên dốc để được tách ra trong hộp (có thể). Nguồn: Brenda Ahearn/Michigan Kỹ thuật, Truyền thông và Tiếp thị
Chất xúc tác được làm từ các cấu trúc nano indi gallium nitride, phát triển trên bề mặt silicon. Tấm wafer bán dẫn đó thu ánh sáng, biến ánh sáng thành các electron tự do và lỗ trống—những khoảng trống tích điện dương để lại khi các electron được ánh sáng giải phóng. Các cấu trúc nano được bao phủ bởi các quả bóng kim loại kích thước nano, có đường kính 1/2000 milimét, sử dụng các electron và lỗ trống đó để giúp định hướng phản ứng.
Một lớp cách nhiệt đơn giản phía trên bảng điều khiển giúp giữ nhiệt độ ở mức dễ chịu là 75 độ C hay 167 độ F, đủ ấm để giúp khuyến khích phản ứng đồng thời đủ mát để chất xúc tác bán dẫn hoạt động tốt. Phiên bản ngoài trời của thí nghiệm, với ánh sáng mặt trời và nhiệt độ kém tin cậy hơn, đạt hiệu suất 6,1% khi biến năng lượng từ mặt trời thành nhiên liệu hydro. Tuy nhiên, trong nhà, hệ thống đạt hiệu suất 9%.
Những thách thức tiếp theo mà nhóm dự định giải quyết là cải thiện hơn nữa hiệu quả và đạt được hydro có độ tinh khiết cực cao có thể được cung cấp trực tiếp vào pin nhiên liệu.
Một số tài sản trí tuệ liên quan đến công việc này đã được cấp phép cho NS Nanotech Inc. và NX Fuels Inc., do Mi đồng sáng lập.
