Nhật Bản – Các nhà khoa học phát triển công nghệ mới để biến ánh sáng mặt trời, nước thành nhiên liệu hydro
Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát triển một phương tiện mới để phân tách nước thành nhiên liệu hydro bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời. Sử dụng một chất xúc tác quang đặc biệt, công nghệ mới này có thể giúp mở ra nhiên liệu hydro rẻ hơn, dồi dào hơn và bền vững hơn cho các ứng dụng khác nhau.
Hiện tại, hầu hết hydro tự do có nguồn gốc từ nguyên liệu khí đốt tự nhiên, có nghĩa là việc tránh xa nhiên liệu hóa thạch để có lựa chọn xanh hơn này không phải là một lựa chọn. Tuy nhiên, phương pháp chạy bằng ánh sáng mặt trời dễ sản xuất này có thể chứng minh là then chốt nếu hydro trở thành một giải pháp thay thế trong tương lai.
Giáo sư Kazunari Domen của Đại học Shinshu, tác giả cao cấp của bài báo trên Frontiers in Science giải thích.
"Phân tách nước do ánh sáng mặt trời điều khiển bằng cách sử dụng chất xúc tác quang là một công nghệ lý tưởng để chuyển đổi và lưu trữ năng lượng mặt trời sang hóa học, và những phát triển gần đây trong vật liệu và hệ thống xúc tác quang làm dấy lên hy vọng cho việc hiện thực hóa nó,"
"Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức", ông nói thêm. Nguyên tắc cơ bản đằng sau quy trình mới là tách nước thành oxy và hydro. Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, nhưng điều này tốn nhiều năng lượng và cần một chất xúc tác, trong trường hợp này là chất xúc tác đặc biệt được gọi là chất xúc tác quang.
Hydro từ nước sử dụng ánh sáng
Khi tiếp xúc với ánh sáng, các chất xúc tác này tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học phân hủy nước thành các bộ phận cấu thành. Khái niệm này không phải là mới, nhưng hầu hết các khái niệm hiện có, được gọi là "một bước" đều không hiệu quả và có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng mặt trời sang hydro ít ỏi.
Một hệ thống kích thích hai bước phức tạp hơn cũng tồn tại và nó hiệu quả hơn. Trong các hệ thống này, một chất xúc tác quang tạo ra hydro từ nước, trong khi một chất khác tạo ra oxy.
Tiến sĩ Takashi Hisatomi của Đại học Shinshu, một tác giả nghiên cứu khác cho biết, nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã chọn quy trình nứt nước "hai bước" thứ hai này.
"Công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời không thể hoạt động vào ban đêm hoặc trong thời tiết xấu".
"Nhưng bằng cách lưu trữ năng lượng của ánh sáng mặt trời như năng lượng hóa học của vật liệu nhiên liệu, có thể sử dụng nó mọi lúc, mọi nơi", ông nói thêm.
Nhóm của Domen và Hisatomi đã tạo ra một bằng chứng khái niệm thành công bằng cách vận hành một lò phản ứng 1.076 ft2 (100 m2) trong ba năm. Lò phản ứng này thậm chí còn hoạt động tốt hơn trong ánh sáng mặt trời trong thế giới thực so với trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Hisatomi nói,
"Trong hệ thống của chúng tôi, sử dụng chất xúc tác quang phản ứng với tia cực tím, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cao hơn khoảng một lần rưỡi dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên".
Không chỉ lý thuyết
"Ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn mô phỏng sử dụng quang phổ từ vùng vĩ độ hơi cao. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể cao hơn ở những khu vực mà ánh sáng mặt trời tự nhiên có nhiều thành phần bước sóng ngắn hơn so với ánh sáng mặt trời tham chiếu mô phỏng. Tuy nhiên, hiện tại, hiệu suất dưới ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn mô phỏng tốt nhất là 1% và sẽ không đạt được hiệu suất 5% dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên", ông nói thêm.
Để thúc đẩy công nghệ về phía trước và phá vỡ rào cản 5% đó, nhóm nghiên cứu nói rằng nhiều nhà nghiên cứu cần phát triển các chất xúc tác quang hiệu quả hơn và xây dựng các lò phản ứng thử nghiệm lớn hơn.
Domen giải thích
"Khía cạnh quan trọng nhất cần phát triển là hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa học bằng chất xúc tác quang".
"Nếu nó được cải thiện ở mức độ thực tế, nhiều nhà nghiên cứu sẽ làm việc nghiêm túc để phát triển công nghệ sản xuất hàng loạt, quy trình tách khí và xây dựng nhà máy quy mô lớn. Điều này cũng sẽ thay đổi suy nghĩ của nhiều người, bao gồm cả các nhà hoạch định chính sách, về việc chuyển đổi năng lượng mặt trời và đẩy nhanh sự phát triển của cơ sở hạ tầng, luật pháp và quy định liên quan đến nhiên liệu năng lượng mặt trời".
Nhật Bản – Các nhà khoa học phát triển công nghệ mới để biến ánh sáng mặt trời, nước thành nhiên liệu hydro
