Hydro xanh: 'Lá nhân tạo' trở nên tốt hơn dưới áp suất
của Hiệp hội các Trung tâm nghiên cứu Đức Helmholtz
Từ khóa: Điểm nổi bật về khoa học 31.07.2024 Hiệu suất của một tế bào PEC phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của các bong bóng khí. Nguồn: Feng Liang /HZB
Hydro có thể được sản xuất thông qua quá trình phân tách nước bằng điện phân. Một lựa chọn ở đây là sử dụng các điện cực quang chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện áp để điện phân trong các tế bào quang điện hóa (tế bào PEC). Một nhóm nghiên cứu tại HZB hiện đã chỉ ra rằng hiệu suất của các tế bào PEC có thể tăng đáng kể dưới áp suất.
Một số người gọi đó là 'lá nhân tạo': thay vì phức hợp Photosystem II tự nhiên mà lá xanh trong tự nhiên sử dụng để phân tách nước bằng ánh sáng mặt trời, tế bào quang điện hóa hoặc viết tắt là tế bào PEC, sử dụng các điện cực quang vô cơ nhân tạo để tạo ra điện áp cần thiết cho quá trình phân tách nước bằng điện phân từ ánh sáng mặt trời.
Giảm thiểu tổn thất
Các thiết bị có hiệu suất tốt nhất đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng ấn tượng lên đến 19%. Ở hiệu suất cao như vậy, tổn thất do hình thành bong bóng bắt đầu đóng vai trò quan trọng. Nguyên nhân là do bong bóng phân tán ánh sáng, ngăn cản quá trình chiếu sáng tối ưu của điện cực.
Hơn nữa, bong bóng có thể ngăn chất điện phân tiếp xúc với bề mặt điện cực và do đó gây ra sự bất hoạt điện hóa. Để giảm thiểu những tổn thất này, chúng ta có thể giảm kích thước bong bóng bằng cách vận hành thiết bị ở áp suất cao hơn. Tuy nhiên, tất cả các thiết bị PEC được báo cáo cho đến nay đều hoạt động ở áp suất khí quyển (1 bar).
Tăng cường áp suất
Một nhóm từ Viện Nhiên liệu Mặt trời tại HZB hiện đã nghiên cứu quá trình phân tách nước ở áp suất cao trong các điều kiện liên quan đến PEC. Họ đã sử dụng khí để tạo áp suất cho các ô dòng chảy PEC từ 1 đến 10 bar và ghi lại một số thông số khác nhau trong quá trình điện phân. Họ cũng đã phát triển một mô hình đa vật lý của quá trình PEC và so sánh với dữ liệu thực nghiệm ở áp suất bình thường và áp suất cao.
Mô hình này hiện cho phép điều chỉnh các thông số và xác định các đòn bẩy chính. "Ví dụ, chúng tôi đã nghiên cứu cách áp suất vận hành ảnh hưởng đến kích thước của các bong bóng khí và hành vi của chúng tại các điện cực", Tiến sĩ Feng Liang, tác giả đầu tiên của bài báo hiện đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, cho biết.
Tổn thất năng lượng kết hợp đã được đánh giá lên đến 20 bar của hydro được tạo ra từ PEC. Tổn thất hiệu suất thấp nhất ở áp suất 6–8 bar, đặc biệt là tổn thất quang học và nhiệt động lực học. Nhóm nghiên cứu đã đạt được kết quả này bằng cách kết hợp dữ liệu thực nghiệm với mô hình vật lý. Nguồn: HZB/Nature Communications 2024
Tổn thất năng lượng giảm một nửa
Phân tích cho thấy việc tăng áp suất vận hành lên 8 bar sẽ giảm một nửa tổng tổn thất năng lượng, có thể dẫn đến tăng tương đối 5–10% hiệu suất tổng thể.
"Tổn thất tán xạ quang học có thể được tránh gần như hoàn toàn ở áp suất này", Liang giải thích. "Chúng tôi cũng thấy sự giảm đáng kể trong quá trình chuyển giao sản phẩm, đặc biệt là quá trình truyền oxy đến điện cực đối diện".
Tuy nhiên, ở áp suất cao hơn, không có lợi thế nào, vì vậy nhóm nghiên cứu đề xuất 6–8 bar là phạm vi áp suất hoạt động tối ưu cho máy điện phân PEC.
"Những phát hiện này, và đặc biệt là mô hình đa vật lý, có thể được mở rộng sang các hệ thống khác và sẽ giúp chúng tôi tăng hiệu suất của cả thiết bị điện hóa và quang xúc tác", Giáo sư Tiến sĩ Roel van de Krol, người đứng đầu Viện Nhiên liệu Mặt trời tại HZB cho biết.
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
