Phương pháp mới tạo ra hydro từ năng lượng mặt trời và chất thải nông nghiệp
của Rob Mitchum, Đại học Illinois ở Chicago
Phó giáo sư Meenesh Singh, phải, và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Rohit Chauhan làm việc trong phòng thí nghiệm của Singh tại Đại học Illinois Chicago. Nhà cung cấp hình ảnh: enny Fontaine/ UIC
Các kỹ sư của Đại học Illinois Chicago đã giúp thiết kế một phương pháp mới để tạo ra khí hydro từ nước chỉ sử dụng năng lượng mặt trời và chất thải nông nghiệp như phân hoặc trấu. Phương pháp này giúp giảm 600% năng lượng cần thiết để chiết xuất hydro từ nước, tạo cơ hội mới cho sản xuất hóa chất bền vững, thân thiện với khí hậu.
Nhiên liệu dựa trên hydro là một trong những nguồn năng lượng sạch hứa hẹn nhất. Tuy nhiên, sản xuất khí hydro tinh khiết là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng, thường cần than hoặc khí tự nhiên và lượng điện lớn.
Trong một bài báo dành cho Khoa học Vật lý Báo cáo Tế bào, một nhóm đa tổ chức do kỹ sư UIC Meenesh Singh dẫn đầu đã tiết lộ quy trình mới để sản xuất hydro xanh.
Phương pháp này sử dụng một chất giàu carbon gọi là than sinh học để giảm lượng điện cần thiết để chuyển nước thành hydro. Bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc gió và thu hồi các sản phẩm phụ cho các mục đích sử dụng khác, quy trình này có thể giảm lượng khí thải nhà kính xuống mức 0.
Singh, phó giáo sư tại khoa kỹ thuật hóa học cho biết: “Chúng tôi là nhóm đầu tiên chứng minh rằng bạn có thể sản xuất hydro bằng cách sử dụng sinh khối ở mức một phần vôn”. "Đây là một công nghệ biến đổi."
Điện phân, quá trình tách nước thành hydro và oxy, cần có dòng điện. Ở quy mô công nghiệp, nhiên liệu hóa thạch thường được yêu cầu để tạo ra lượng điện này.
Gần đây, các nhà khoa học đã giảm điện áp cần thiết để tách nước bằng cách đưa nguồn cacbon vào phản ứng. Nhưng quá trình này cũng sử dụng than đá hoặc các hóa chất đắt tiền và thải ra CO2 như một sản phẩm phụ.
Singh và các đồng nghiệp đã sửa đổi quy trình này để sử dụng sinh khối từ các chất thải thông thường. Bằng cách trộn axit sunfuric với chất thải nông nghiệp, chất thải động vật hoặc nước thải, chúng tạo ra một chất giống như bùn gọi là than sinh học, rất giàu cacbon.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các loại than sinh học khác nhau được làm từ vỏ mía, chất thải từ cây gai dầu, chất thải giấy và phân bò. Khi được thêm vào buồng điện phân, cả 5 loại than sinh học đều giảm năng lượng cần thiết để chuyển nước thành hydro. Hiệu suất tốt nhất, phân bò, đã giảm nhu cầu điện gấp sáu lần xuống còn khoảng 1/5 volt.
Yêu cầu năng lượng đủ thấp để các nhà nghiên cứu có thể cung cấp năng lượng cho phản ứng bằng một pin mặt trời silicon tiêu chuẩn tạo ra dòng điện khoảng 15 milliamp ở điện áp 0,5 volt. Đó là ít hơn lượng điện năng được tạo ra bởi pin AA.
Trừu tượng đồ họa. Nhà cung cấp: Báo cáo tế bào Khoa học vật lý (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102013
Rohit Chauhan, đồng tác giả và học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Singh, cho biết: “Nó rất hiệu quả, với khả năng chuyển đổi gần 35% than sinh học và năng lượng mặt trời thành hydro”. “Đây là những con số kỷ lục thế giới; là con số cao nhất mà chưa ai từng chứng minh được.”
Để làm cho quá trình trở về số 0, nó phải thu được lượng khí carbon dioxide được tạo ra bởi phản ứng. Nhưng Singh cho biết điều này cũng có thể mang lại lợi ích về kinh tế và môi trường, chẳng hạn như sản xuất carbon dioxide tinh khiết thành đồ uống có ga hoặc chuyển đổi nó thành ethylene và các hóa chất khác được sử dụng trong sản xuất nhựa.
Nishithan Kani, sinh viên tốt nghiệp UIC, đồng tác giả của bài báo cho biết: “Nó không chỉ đa dạng hóa việc sử dụng chất thải sinh học mà còn cho phép sản xuất sạch các hóa chất khác nhau ngoài hydro”. “Phương pháp sản xuất hydro rẻ tiền này có thể cho phép nông dân tự cung cấp năng lượng cho nhu cầu năng lượng của mình hoặc tạo ra nguồn doanh thu mới”.
Orochem Technologies Inc., đơn vị tài trợ cho nghiên cứu, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quy trình sản xuất than sinh học và hydro của họ, đồng thời nhóm UIC có kế hoạch thử nghiệm các phương pháp này trên quy mô lớn.
Ngoài Singh, Kani và Chauhan, bài báo còn có đồng tác giả là sinh viên tốt nghiệp UIC Rajan Bhawnani. Các đồng tác giả khác đến từ Đại học Stanford, Đại học Công nghệ Texas, Viện Công nghệ Ấn Độ Roorkee, Đại học Hàn Quốc và Orochem Technologies Inc.
