Mặt trời, tính bền vững và silicon: Nghiên cứu gấp đôi về nhiên liệu mặt trời

Mặt trời, tính bền vững và silicon: Nghiên cứu gấp đôi về nhiên liệu mặt trời
của Jim Shelton, Đại học Yale

Nhà cung cấp hình ảnh: Michael S. Helfenbein, Đại học Yale
Cuộc đua nhằm phát triển một thế hệ nhiên liệu lỏng mới được kích hoạt bằng ánh sáng mặt trời đang diễn ra và các nhà nghiên cứu của Yale đang giúp dẫn đầu.

Trong thập kỷ qua, nghiên cứu cơ bản nhằm tạo ra nhiên liệu lỏng bền vững chạy bằng năng lượng mặt trời đã đạt đến bước ngoặt. Vật liệu bán dẫn mới có thể thu ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả và xúc tác quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành các sản phẩm có giá trị, chẳng hạn như nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, việc tạo ra một sản phẩm duy nhất thường rất khó khăn. Chất xúc tác phân tử có thể tạo thành một sản phẩm duy nhất từ carbon dioxide (CO2) nhưng không ổn định. Do đó, nhiều nhà khoa học cho rằng cả hai phương pháp này đều không phù hợp để sản xuất ở quy mô lớn.

Nhưng một phương pháp thứ ba hiện đang xuất hiện. Các nhà hóa học Yale tham gia vào Trung tâm Phương pháp tiếp cận lai với năng lượng mặt trời (CHASE) đang kết hợp các vật liệu bán dẫn mới với chất xúc tác phân tử mới thành các quy trình mạnh mẽ hơn, hợp lý hơn có thể mở rộng để sử dụng rộng rãi hơn.

Các nhà nghiên cứu cho biết, phương pháp tiếp cận mới đầy hứa hẹn này, được mô tả trong hai nghiên cứu gần đây, đại diện cho phương pháp tiếp cận "tốt nhất của cả hai thế giới", có thể dẫn đến các sản phẩm nhiên liệu thay thế, mang tính thay đổi cuộc chơi, có thêm lợi ích là loại bỏ CO2 khỏi không khí.

Eleanor Stewart-Jones, nghiên cứu sinh tại Khoa Hóa học của Yale và là đồng tác giả đầu tiên của một trong những nghiên cứu cho biết: “Cả hai bài báo này đều mang lại cho tôi rất nhiều hy vọng rằng phương pháp lai có thể hoạt động”. “Chúng tôi chắc chắn đang tìm ra những cách mới để cải thiện hoặc nâng cao khả năng phản ứng.”

Khoảng chục giảng viên và nghiên cứu sinh của Yale là thành viên của CHASE, một trung tâm nghiên cứu năng lượng mặt trời được liên bang tài trợ, bao gồm sáu tổ chức nghiên cứu của Hoa Kỳ và có trụ sở tại Đại học Bắc Carolina-Chapel Hill. Sứ mệnh của CHASE là đẩy nhanh nghiên cứu có thể dẫn đến sản xuất nhiên liệu lỏng từ ánh sáng mặt trời, nước, nitơ và carbon dioxide.

Đội ngũ của Yale bao gồm Nilay Hazari, Giáo sư Hóa học John Randolph Huffman; James Mayer, Giáo sư Hóa học Charlotte Fitch Roberts; và Hailiang Wang, giáo sư hóa học, đều đến từ Khoa Khoa học và Nghệ thuật.

Wang nói: “Thật cảm hứng khi thấy sự cống hiến mà các sinh viên, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và đồng nghiệp của chúng tôi tại các tổ chức đối tác đang mang đến cho công việc này”. “Mỗi khám phá mới đưa chúng ta đến gần hơn với việc phát triển công nghệ cần thiết cho nhiên liệu năng lượng mặt trời thực tế.”

Sự khéo léo trong nghiên cứu của Yale là trọng tâm trong hai nghiên cứu CHASE mới, cả hai đều được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. Họ tập trung vào các điện cực quang dựa trên silicon – các thành phần trong pin mặt trời hút ánh sáng mặt trời và chuyển nó thành năng lượng điện.

Trong nghiên cứu đầu tiên, do phòng thí nghiệm của Wang tại Yale và phòng thí nghiệm của Tianquan Lian tại Đại học Emory dẫn đầu, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một điện cực bao gồm một loạt các micropillar silicon, được phủ một lớp cacbon florua siêu kỵ nước.

Chiến lược này đã tăng diện tích bề mặt điện cực tổng thể và dẫn đến sự gia tăng đáng kể hoạt tính xúc tác. Bo Shang, một sinh viên tốt nghiệp ngành hóa học của Yale và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã thấy sự gia tăng đáng chú ý, hoạt động xúc tác cao hơn tới 17 lần so với kỷ lục trước đây đối với các điện cực quang silicon”.

Phương pháp này mang lại khả năng chuyển đổi quang điện CO2 hiệu quả nhất từ ánh sáng mặt trời thành metanol, dựa trên silicon, từng được báo cáo. Metanol là nhiên liệu lỏng thay thế không màu.

Trong nghiên cứu thứ hai, phòng thí nghiệm Yale của Mayer và Hazari đã hợp tác trong một quy trình liên quan đến các tấm silicon xốp mỏng, một dạng silicon được khắc bằng các kênh gọi là lỗ nano. Các nhà nghiên cứu đã gắn chất xúc tác rhenium phân tử vào các tấm điện cực này.

Stewart-Jones, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Mayer và đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là lần đầu tiên người ta gắn chất xúc tác phân tử vào silicon xốp”.

Phản ứng hóa học xảy ra do ánh sáng mặt trời tạo ra sẽ biến CO2 thành carbon monoxide theo cách ổn định và có thể tái tạo hơn so với khi các chất xúc tác phân tử được kết hợp với silicon phẳng, không xốp.

Xiaofan Jia, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Hazari và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã cố định thành công chất xúc tác giảm CO2 phân tử hiệu quả vào vật liệu silicon hấp thụ ánh sáng mặt trời”. “Điều này cho phép thiết bị tận dụng trực tiếp năng lượng từ ánh sáng mặt trời để sản xuất nhiên liệu.”

Wang cho biết, kết hợp lại với nhau, cả hai nghiên cứu đều nêu bật tính đa dạng và tính sáng tạo của dự án CHASE.

Wang cho biết: "Hai công trình này đều phát triển điện cực quang khử CO2 bằng silicon và chất xúc tác phân tử, nhưng có những cách tiếp cận rất khác nhau".

Thông tin thêm: Bo Shang và cộng sự, Điều chỉnh các giao diện để tăng cường sản xuất metanol từ việc giảm CO2 quang điện hóa, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c13540 Xiaofan Jia và cộng sự,

quang điện quá trình khử CO2 hóa học thành CO được kích hoạt bởi chất xúc tác phân tử được gắn vào silicon xốp có diện tích bề mặt cao, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c10837

Thông tin tạp chí: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ

Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage:   https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube:   https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt