Phương pháp mới để khai thác ánh sáng mặt trời mở ra con đường sản xuất hydro mặt trời ổn định, chi phí thấp
bởi Queen Mary, Đại học London
Hiệu suất của cực dương IPV hữu cơ nguyên khối với các lớp hấp thụ PM6:D18:L8-BO và PTQ10:GS-ISO trong một ô PEC hai điện cực. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01736-6
Một nhóm các nhà nghiên cứu hợp tác từ Imperial College London và Đại học Queen Mary London đã đạt được một cột mốc quan trọng trong công nghệ năng lượng bền vững, như được nêu chi tiết trong ấn phẩm mới nhất của họ trên Nature Energy.
Nghiên cứu này tiết lộ một phương pháp tiên phong để khai thác ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro hiệu quả và ổn định bằng cách sử dụng các vật liệu hữu cơ tiết kiệm chi phí, có khả năng biến đổi cách chúng ta tạo ra và lưu trữ năng lượng sạch.
Nghiên cứu này giải quyết một thách thức lâu dài trong quá trình phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời-hydro: sự bất ổn định của các vật liệu hữu cơ như polyme và các phân tử nhỏ trong nước và tình trạng kém hiệu quả do mất năng lượng tại các giao diện quan trọng. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một kiến trúc thiết bị nhiều lớp tích hợp một lớp quang hoạt hữu cơ với một tấm than chì bảo vệ được chức năng hóa bằng chất xúc tác niken-sắt.
Thiết kế sáng tạo này đã đạt được sự kết hợp chưa từng có giữa hiệu suất cao và độ bền, thiết lập một chuẩn mực mới cho lĩnh vực này.
"Công trình của chúng tôi chứng minh rằng có thể đạt được hiệu suất cao, phân tách nước bằng năng lượng mặt trời ổn định bằng cách sử dụng các vật liệu hữu cơ có chi phí thấp và có thể mở rộng quy mô", Tiến sĩ Flurin Eisner, Giảng viên về Năng lượng xanh tại Đại học Queen Mary London, người đã chỉ đạo quá trình phát triển các lớp quang hoạt hữu cơ trong suốt dự án, cho biết.
"Vật liệu hữu cơ có khả năng điều chỉnh cao về mặt tính chất, chẳng hạn như ánh sáng mà chúng hấp thụ và tính chất điện của chúng, nghĩa là chúng có thể là nền tảng cực kỳ linh hoạt để xây dựng nhiều cách khác nhau nhằm chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu (như hydro) hoặc thậm chí là hóa chất, mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên ở thực vật. Điều này mở ra những hướng đi mới thú vị cho nhiên liệu bền vững và sản xuất hóa chất."
Trong nghiên cứu, thiết bị mới đạt được mật độ dòng điện quang trên 25 mA cm-2 ở +1,23 V so với điện cực hydro thuận nghịch để oxy hóa nước—một nửa phản ứng phân tách nước thành hydro và oxy bằng năng lượng mặt trời. Đây là một bước tiến lớn, vượt qua các hệ thống trước đây. Không giống như các thiết kế trước đây bị phân hủy trong vòng vài giờ, hệ thống mới cho thấy sự ổn định khi vận hành trong nhiều ngày. Thiết kế hỗ trợ nhiều loại vật liệu hữu cơ, mang lại sự linh hoạt cho các cải tiến trong tương lai về năng lượng mặt trời.
Phân tách nước bằng năng lượng mặt trời không cần hỗ trợ trong một ô PEC bằng một cực dương IPV hữu cơ song song được xác nhận bằng sự hình thành các bong bóng O2 trên cực dương và các bong bóng H2 trên điện cực đối diện. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01736-6
Để đạt được những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lớp quang hoạt hữu cơ heterojunction khối, tích hợp một tấm than chì tự dính được chức năng hóa với chất xúc tác oxyhydroxide niken-sắt có nhiều trong đất. Than chì không chỉ bảo vệ lớp quang hoạt khỏi sự phân hủy do nước gây ra mà còn duy trì các kết nối điện hiệu quả.
"Ngoài hiệu quả và độ ổn định kỷ lục của các thiết bị hữu cơ của chúng tôi, kết quả của chúng tôi còn giải quyết được sự đóng góp của các thành phần khác nhau trong quá trình phân hủy thiết bị, vốn là một thách thức đáng kể của lĩnh vực này", Tiến sĩ Matyas Daboczi, tác giả đầu tiên của nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Imperial (hiện là Nghiên cứu viên Marie Skłodowska-Curie tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng HUN-REN và là Nhà nghiên cứu thỉnh giảng tại Khoa Kỹ thuật Hóa học tại Imperial) cho biết.
"Tôi tin rằng những hiểu biết sâu sắc và hướng dẫn của chúng tôi sẽ có giá trị trong việc cải thiện hơn nữa tính ổn định và hiệu suất của các thiết bị quang điện hóa hữu cơ như vậy đối với các ứng dụng trong thế giới thực."
Tiềm năng của bước đột phá này đã được thể hiện rõ hơn trong các thiết bị phân tách nước hoàn toàn, có khả năng tạo ra hydro từ nước và ánh sáng mà không cần thêm bất kỳ điện năng nào. Họ đã đạt được hiệu suất năng lượng mặt trời thành hydro là 5%, một thành tựu có thể đẩy nhanh đáng kể việc áp dụng, ví dụ, các công nghệ sản xuất hydro ngoài lưới điện.
Tiến sĩ Salvador Eslava, học giả chính của nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của Imperial, tuyên bố, "Kết quả này là một cải tiến đáng kể về hiệu suất của thiết bị quang điện hóa hữu cơ, đạt được hiệu suất năng lượng mặt trời thành hydro kỷ lục. Phương pháp này tận dụng các ưu điểm của các dị hợp khối hữu cơ, cung cấp dòng điện quang, điện áp quang, các nguyên tố dồi dào và dễ xử lý, và áp dụng chúng vào các điện cực của các tế bào quang điện hóa."
Kết quả của nghiên cứu này dự kiến sẽ thúc đẩy những tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực này, mở đường cho các ứng dụng trong thế giới thực. Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu xây dựng trên nền tảng này, khám phá những cải tiến về độ ổn định của vật liệu và mở rộng quy mô công nghệ để sử dụng trong công nghiệp.
