Một bước tiến tới sản xuất nhiên liệu mặt trời từ không khí mỏng
Kevin Sivula trong phòng thí nghiệm của mình. Nguồn: Alain Herzog / EPFL
Một thiết bị có thể thu nước từ không khí và cung cấp nhiên liệu hydro—hoàn toàn chạy bằng năng lượng mặt trời—là giấc mơ của các nhà nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Giờ đây, kỹ sư hóa học EPFL Kevin Sivula và nhóm của ông đã thực hiện một bước quan trọng trong việc đưa tầm nhìn này đến gần hơn với thực tế. Họ đã phát triển một hệ thống khéo léo nhưng đơn giản, kết hợp công nghệ dựa trên chất bán dẫn với các điện cực mới có hai đặc điểm chính: chúng xốp, để tiếp xúc tối đa với nước trong không khí; và trong suốt, để tối đa hóa khả năng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời của lớp phủ bán dẫn. Khi thiết bị chỉ đơn giản là tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nó sẽ lấy nước từ không khí và tạo ra khí hydro. Kết quả đã được công bố vào ngày 4 tháng 1 năm 2023 trong Tài liệu nâng cao.
"Để hiện thực hóa một xã hội bền vững, chúng ta cần các cách lưu trữ năng lượng tái tạo dưới dạng hóa chất có thể được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu trong công nghiệp. Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng tái tạo dồi dào nhất và chúng tôi đang cố gắng phát triển các cách sản xuất năng lượng mặt trời cạnh tranh về mặt kinh tế nhiên liệu," Sivula thuộc Phòng thí nghiệm Kỹ thuật phân tử vật liệu nano quang điện tử của EPFL và là điều tra viên chính của nghiên cứu cho biết.
Cảm hứng từ lá cây
Trong nghiên cứu của họ về nhiên liệu tái tạo không hóa thạch, các kỹ sư EPFL cộng tác với Toyota Motor Europe, đã lấy cảm hứng từ cách thực vật có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học bằng cách sử dụng carbon dioxide từ không khí. Về cơ bản, cây thu hoạch carbon dioxide và nước từ môi trường của nó, đồng thời với sự tăng cường thêm năng lượng từ ánh sáng mặt trời, cây có thể biến đổi các phân tử này thành đường và tinh bột, một quá trình được gọi là quang hợp. Năng lượng của ánh sáng mặt trời được lưu trữ dưới dạng liên kết hóa học bên trong đường và tinh bột.
Các điện cực khuếch tán khí trong suốt do Sivula và nhóm của ông phát triển, khi được phủ một vật liệu bán dẫn thu hoạch ánh sáng, thực sự hoạt động giống như một chiếc lá nhân tạo, thu nước từ không khí và ánh sáng mặt trời để tạo ra khí hydro. Năng lượng của ánh sáng mặt trời được lưu trữ dưới dạng liên kết hydro.
Thay vì xây dựng các điện cực với các lớp truyền thống làm mờ ánh sáng mặt trời, chất nền của chúng thực sự là một lưới 3 chiều gồm các sợi thủy tinh nỉ.
Marina Caretti, tác giả chính của công trình, cho biết: "Việc phát triển thiết bị nguyên mẫu của chúng tôi là một thách thức vì các điện cực khuếch tán khí trong suốt chưa được chứng minh trước đây và chúng tôi phải phát triển các quy trình mới cho từng bước. Tuy nhiên, vì mỗi bước tương đối đơn giản và có thể mở rộng, tôi nghĩ rằng phương pháp của chúng tôi sẽ mở ra những chân trời mới cho một loạt các ứng dụng bắt đầu từ chất nền khuếch tán khí để sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời."
Từ nước lỏng đến độ ẩm trong không khí
Sivula và các nhóm nghiên cứu khác trước đây đã chỉ ra rằng có thể thực hiện quang hợp nhân tạo bằng cách tạo ra nhiên liệu hydro từ nước lỏng và ánh sáng mặt trời bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là tế bào quang điện hóa (PEC). Tế bào PEC thường được biết đến như một thiết bị sử dụng ánh sáng tới để kích thích vật liệu cảm quang, chẳng hạn như chất bán dẫn, được ngâm trong dung dịch lỏng để gây ra phản ứng hóa học. Nhưng đối với các mục đích thực tế, quá trình này có nhược điểm của nó; ví dụ, rất phức tạp để chế tạo các thiết bị PEC diện tích lớn sử dụng chất lỏng.
Thay vào đó, Sivula muốn chứng minh rằng công nghệ PEC có thể được điều chỉnh để thu độ ẩm từ không khí, dẫn đến sự phát triển của điện cực khuếch tán khí mới của họ. Các tế bào điện hóa (ví dụ: pin nhiên liệu) đã được chứng minh là hoạt động với khí thay vì chất lỏng, nhưng các điện cực khuếch tán khí được sử dụng trước đây mờ đục và không tương thích với công nghệ PEC chạy bằng năng lượng mặt trời.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu đang tập trung nỗ lực vào việc tối ưu hóa hệ thống. Kích thước sợi lý tưởng là gì? Kích thước lỗ chân lông lý tưởng? Các chất bán dẫn lý tưởng và vật liệu màng? Đây là những câu hỏi đang được theo đuổi trong Dự án Sun-to-X của EU, dự án được dành riêng để thúc đẩy công nghệ này và phát triển những cách mới để chuyển đổi hydro thành nhiên liệu lỏng.
Chế tạo các điện cực trong suốt, khuếch tán khí
Để tạo ra các điện cực khuếch tán khí trong suốt, các nhà nghiên cứu bắt đầu với một loại bông thủy tinh, về cơ bản là sợi thạch anh (còn được gọi là oxit silic) và xử lý nó thành các tấm nỉ bằng cách nung chảy các sợi này với nhau ở nhiệt độ cao. Tiếp theo, tấm wafer được phủ một màng oxit thiếc pha tạp flo mỏng trong suốt, được biết đến với tính dẫn điện tuyệt vời, độ bền cao và dễ dàng mở rộng quy mô.
Những bước đầu tiên này dẫn đến một tấm wafer trong suốt, xốp và dẫn điện, cần thiết để tiếp xúc tối đa với các phân tử nước trong không khí và cho phép các photon xuyên qua. Sau đó, tấm wafer được phủ một lần nữa, lần này là một màng mỏng bằng vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời. Lớp phủ mỏng thứ hai này vẫn cho phép ánh sáng xuyên qua, nhưng có vẻ mờ đục do diện tích bề mặt lớn của chất nền xốp. Như vậy, tấm wafer tráng này có thể được tạo ra nhiên liệu hydro khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Các nhà khoa học tiếp tục xây dựng một buồng nhỏ chứa tấm wafer được phủ, cũng như một màng để tách khí hydro được tạo ra để đo lường. Khi buồng của chúng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong điều kiện ẩm ướt, khí hydro được tạo ra, đạt được mục tiêu mà các nhà khoa học đặt ra, cho thấy rằng có thể đạt được khái niệm về một điện cực khuếch tán khí trong suốt để sản xuất khí hydro bằng năng lượng mặt trời.
Mặc dù các nhà khoa học không chính thức nghiên cứu hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro trong cuộc trình diễn của họ, nhưng họ thừa nhận rằng hiệu quả đó còn khiêm tốn đối với nguyên mẫu này và hiện tại ít hơn mức có thể đạt được trong các tế bào PEC dựa trên chất lỏng. Dựa trên các vật liệu được sử dụng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro tối đa theo lý thuyết của tấm wafer được phủ là 12%, trong khi các tế bào chất lỏng đã được chứng minh là có hiệu suất lên tới 19%.
