Sản xuất nhiên liệu hydro theo yêu cầu chuyển sang chế độ tối
bởi Sanjukta Mondal, Phys.org
Hình thái bề mặt (a1, b1), thể hiện hình ảnh điện thế bề mặt khi không có (a2, b2) và có (a3, b3) ánh sáng; hồ sơ ∆CPD trước và sau khi chiếu xạ (a4, b4) đối với g-C3N4 và hỗn hợp g-C3N4/W12, tương ứng. c) Phổ EPR của g-C3N4 trong dung dịch hỗn hợp nước và metanol. d) Phổ EPR của g-C3N4/W12 trong dung dịch hỗn hợp nước và metanol. e) Cơ chế tạo hydro quang xúc tác trong bóng tối trên g-C3N4/W12. Nguồn: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202519875
Hydro, nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, có khả năng thoát ra khỏi hầu hết mọi vật chứa mà nó được lưu trữ. Kích thước cực nhỏ của nó cho phép nó len lỏi qua các khe hở ở cấp độ nguyên tử trong vật liệu lưu trữ, đây là một trong những vấn đề chính cản trở năng lượng hydro trở nên phổ biến.
Một nhóm các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã giải quyết vấn đề chứa đựng bằng cách sản xuất hydro theo yêu cầu. Họ đã phát triển một hệ thống hóa học đơn giản chứa amoni metatungstat (W12) thương mại và cacbon nitrit graphit (g-C3N4) trong dung dịch huyền phù. Hệ thống này thu năng lượng mặt trời và thay vì chuyển đổi nó thành điện năng, nó sử dụng năng lượng đó để sản xuất nhiên liệu hydro theo yêu cầu—ngay cả trong bóng tối.
Hệ thống mới mang lại hai lợi ích: nó giúp có sẵn năng lượng mặt trời ngay cả khi mặt trời không chiếu sáng, và nó loại bỏ nhu cầu vận chuyển hydro trong các bình chứa áp suất cao nguy hiểm.
Theo các phát hiện được công bố trên tạp chí Advanced Materials, công nghệ này đã đạt được tốc độ sản xuất hydro ấn tượng, tạo ra 3.220 µmol g−1 h−1 trong bóng tối và 954 µmol g−1 h−1 dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên ngoài trời, cả hai đều là những con số ấn tượng khi so sánh với sản lượng của các hệ thống quang xúc tác trong bóng tối tương tự.
Sơ đồ hệ thống quang xúc tác trong bóng tối bao gồm g-C3N4 và W12. Nguồn: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202519875
Bẫy photon
Thực vật đã làm chủ được sự cân bằng đáng kinh ngạc trong quá trình quang hợp. Chúng tách biệt các phản ứng được thúc đẩy bởi ánh sáng và các phản ứng trong bóng tối, thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời trước, sau đó sử dụng năng lượng đã lưu trữ đó để cung cấp năng lượng cho các quá trình hóa học mà không cần ánh sáng mặt trời.
Lấy cảm hứng từ chiến lược này, các nhà khoa học đã và đang nỗ lực xây dựng các hệ thống quang hợp nhân tạo mô phỏng phương pháp này, với hy vọng tạo ra một cách sản xuất hydro thân thiện với môi trường hơn bằng năng lượng mặt trời, hoạt động liên tục ngay cả sau khi mặt trời lặn.
Polyoxometalate, hay POM, là một nhóm các cụm kim loại-oxy được biết đến với khả năng lưu trữ và giải phóng nhiều electron, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho phương pháp này. Cho đến nay, chỉ có một số ít hệ thống quang xúc tác dựa trên POM sản xuất được hydro mà không cần ánh sáng, và hầu hết đều dựa vào các thiết lập xúc tác phức tạp, khó chế tạo và thường yêu cầu đầu vào điện bên ngoài.
Hoạt động tạo H2 trong bóng tối trên 20 mg g-C3N4 và 20 µmol POM sau 1 giờ chiếu sáng (1 mg Pt/C). Nguồn: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202519875
Sản xuất hydro chuyển sang chế độ tối
Các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu này đã giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp chất bán dẫn graphit cacbon nitrit với POM thương mại (amoni metatungstat) trong dung dịch metanol thông qua lắp ráp tĩnh điện. Điều này tạo ra một hỗn hợp huyền phù có thể hỗ trợ cả pha sáng để thu năng lượng và pha tối để thúc đẩy các phản ứng hóa học và giải phóng hydro bên trong.
Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, hệ thống chất lỏng hấp thụ ánh sáng thông qua graphit cacbon nitrit, chất thu nhận ánh sáng. Quá trình này kích hoạt quá trình sản xuất electron và các electron được tạo thành sẽ đi đến POM vonfram, hoạt động như một môi trường lưu trữ electron. Sự thay đổi màu sắc rõ rệt của dung dịch từ màu vàng nhạt sang màu xanh lam báo hiệu rằng năng lượng đã được lưu trữ.
Năng lượng thu được vẫn được lưu trữ an toàn cho đến khi cần nhiên liệu. Khi cần sản xuất hydro theo yêu cầu, nhóm nghiên cứu đã đưa vào chất xúc tác gốc bạch kim, chất này giải phóng các electron đã lưu trữ và kích hoạt các phản ứng hóa học tạo ra khí hydro.
Nhóm nghiên cứu đã đạt được tốc độ sản xuất hydro tuyệt vời trong cả điều kiện tối và ánh sáng mặt trời tự nhiên. Phân tích sâu hơn về cơ chế cho thấy hai vật liệu được chọn có sự tương thích năng lượng hoàn hảo, và khi tiếp xúc, chúng tạo ra một điện trường nội bộ, cho phép truyền electron với tốc độ kỷ lục, đồng thời khuếch đại quá trình sản xuất hydro trong pha tối.
Các nhà nghiên cứu tin rằng hệ thống mới này đã chứng minh khả năng sản xuất hydro một cách đáng tin cậy trong mọi điều kiện thời tiết và cho thấy tiềm năng mạnh mẽ để mở rộng quy mô thực tiễn. Với sự phát triển hơn nữa, phương pháp này có thể cho phép sản xuất hydro một cách an toàn ở các vùng giàu ánh nắng mặt trời và cung cấp cho các khu vực thiếu năng lượng, mà không cần dựa vào các kho chứa áp suất cao nguy hiểm.
Bài viết này được viết bởi tác giả Sanjukta Mondal, biên tập bởi Lisa Lock, và được kiểm chứng và xem xét bởi Robert Egan – đây là kết quả của quá trình làm việc cẩn thận của con người. Chúng tôi dựa vào độc giả như bạn để duy trì hành trình khoa học độc lập.
Thông tin thêm: Xiaoyu Dong và cộng sự, Lưu trữ năng lượng mặt trời trong polyoxometalate để vận chuyển và phát triển hydro theo yêu cầu, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202519875
Thông tin tạp chí: Advanced Materials
