Nghiên cứu quang hợp nhân tạo là một bước tiến tới hydro xanh
Làm thế nào chúng ta có thể sản xuất hydro sạch mà không cần đốt cháy hydrocarbon hóa thạch hoặc các nguồn năng lượng không tái tạo khác? Chúng ta có thể làm như vậy thông qua quang điện hóa học, hoặc quang hợp nhân tạo, một phương pháp mà—giống như quang hợp—sử dụng ánh sáng mặt trời và nước, như với điện phân, để thu được hydro, mà không tạo ra khí thải có hại. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Khoa Vật lý của Đại học Trento đã tập trung chính xác vào phương pháp tiếp cận này.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Carbon .
Một trong những khía cạnh sáng tạo nhất của dự án nghiên cứu của họ là việc sử dụng chất xúc tác quang (vật liệu bán dẫn) dựa trên vật liệu hai chiều, và đặc biệt là trên cacbon nitrua graphit (gC3N4 ) . Vật liệu này nhẹ và bền vững, được sử dụng để phá vỡ liên kết hóa học của các phân tử nước để tạo ra hydro.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi được sử dụng dưới dạng một lớp nguyên tử đơn, các chất xúc tác quang này mang lại hiệu suất vượt trội so với các cấu trúc dày hơn và ít trật tự hơn đã được thử nghiệm trước đây. Khám phá này có thể mở đường cho việc sử dụng hiệu quả hơn các vật liệu này trong sản xuất hydro xanh.
Hydro được coi là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất cho quá trình chuyển đổi năng lượng. Nhưng hầu hết hydro được sản xuất ngày nay đều thông qua phương pháp “cải cách hơi nước”, trong đó mê-tan (một nhiên liệu hóa thạch) được đun nóng đến nhiệt độ cao; một quá trình không hoàn toàn bền vững. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Trento tập trung vào việc sản xuất hydro thông qua các tế bào quang điện hóa.
Đây là một quy trình sạch không sử dụng hydrocarbon hoặc các nguồn năng lượng không tái tạo khác để phá vỡ liên kết hóa học của các phân tử nước để tạo ra hydro.
Francesca Martini , tác giả chính của nghiên cứu, giải thích:
Hợp chất graphit dựa trên cacbon nitrua graphit được đề xuất là chất xúc tác quang tiềm năng.
“Khi tiếp xúc với nước, chất bán dẫn này hấp thụ ánh sáng mặt trời có thể nhìn thấy và chuyển đổi nó thành năng lượng hóa học để cho phép các electron chuyển động trong vật chất. Trước công trình của chúng tôi, người ta biết rất ít về các cơ chế này. Bằng cách nghiên cứu sự hình thành và lan truyền của exciton (một cặp electron-lỗ liên kết), các hạt được tạo ra bởi ánh sáng mặt trời trong cacbon nitride được hình thành bởi một lớp nguyên tử duy nhất, chúng tôi nhận ra rằng chúng có tốc độ rất thấp và di chuyển trong chất xúc tác quang nhờ chuyển động kết hợp bao gồm các rung động của các nguyên tử.”
Các tác giả của nghiên cứu này rất ngạc nhiên về kết quả này. Các electron nhỏ hơn các nguyên tử của chất xúc tác quang hơn hai nghìn lần. Do đó, chúng di chuyển nhanh hơn, giống như một đàn côn trùng (các electron) di chuyển xung quanh một người (nguyên tử). Tuy nhiên, điều này không xảy ra trong cacbon nitride. Giống như thể đàn côn trùng đồng ý với người đó đi bộ tay trong tay như một cặp đôi, cho đến khi chúng gặp một ion hydro cùng nhau.
Matteo Calandra, điều phối viên nghiên cứu, giải thích:
Khi điều này xảy ra,
“Nguyên tử cúi chào và để electron liên kết với ion hydro đi qua. Giống như người cha (nguyên tử) của cô dâu (electron) làm khi ông đưa cô dâu đến bàn thờ (ion hydro).”
Công việc của các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục khi họ thực hiện mô phỏng số trên cơ sở dữ liệu gồm hơn năm nghìn vật liệu mà họ có quyền truy cập, để sàng lọc tính toán và xác định chất xúc tác tốt hơn so với chất xúc tác hiện tại.
Pietro Brangi, đồng tác giả của nghiên cứu, kết luận:
Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ dẫn đến sự đổi mới mạnh mẽ trong việc sản xuất hydro từ pin quang điện.
“Nhờ phương pháp này, hiện nay chúng ta có thể xác định một cách có hệ thống các vật liệu có hiệu suất tốt hơn và đẩy nhanh tiến độ sản xuất hydro xanh,”
Dự án này là bước tiến quan trọng hướng tới tính bền vững của năng lượng.
Nghiên cứu quang hợp nhân tạo là một bước tiến tới hydro xanh
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
