Thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời biến nước thải thành hydro xanh
Ô nhiễm kim loại trong nước thải giúp tăng tốc phản ứng tách nước
Sử dụng năng lượng mặt trời và nước thải được lấy từ Sydney và Melbourne (Úc), các điện cực này có thể tạo ra hydro xanh.
Nguồn ảnh: Shu Shu Zheng/RMIT University
Hydro là một nguồn năng lượng sạch. Khi được sử dụng trong pin nhiên liệu, hydro kết hợp với oxy để tạo ra điện, với sản phẩm phụ duy nhất là nước.
Để sản xuất loại nhiên liệu thân thiện với môi trường này, người ta cần làm ngược lại: tách nước thành hydro và oxy. Quá trình này tiêu tốn rất nhiều điện năng, khiến hydro trở nên kém “xanh” hơn. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Úc đã tìm ra phương pháp sản xuất hydro hiệu quả bằng cách tận dụng các chất ô nhiễm trong dòng nước thải (ACS Electrochem. 2025, DOI: 10.1021/acselectrochem.5c00064).
Để sản xuất hydro xanh trên quy mô lớn, cần có: nguồn năng lượng tái tạo, chất xúc tác tốt để giảm chi phí năng lượng, và điện cực vừa hiệu quả vừa bền. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng các điện cực làm từ biochar biến tính – một loại than xốp tạo ra từ phế thải nông nghiệp – có thể kết hợp với kim loại hòa tan trong nước thải để xúc tác phản ứng.
“Chúng tôi điều chỉnh đặc tính của biochar để thu gom các vật liệu hoạt tính từ nước thải,” Nasir Mahmood, nhà khoa học vật liệu tại Đại học RMIT, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. Vật liệu này tạo ra các vị trí hoạt tính giúp tách phân tử nước.
Các nhà nghiên cứu đã lấy nước thải từ các công ty cấp thoát nước ở Sydney và Melbourne – nơi tiếp nhận hỗn hợp nước sinh hoạt, chất thải công nghiệp, nước mưa và nhiều loại chất thải khác. Sau khi loại bỏ rác thải rắn, chất hữu cơ và dinh dưỡng, họ đưa nước này vào hệ thống thí nghiệm. Khi kết nối điện cực với tấm pin mặt trời, hệ thống đã sản xuất hydro liên tục hơn 18 ngày với hiệu suất cao.
Các kim loại và chất ô nhiễm flo trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong phản ứng. Sắt, bạch kim và niken giúp xúc tác quá trình tách nước, trong khi chrom và hợp chất flo ngăn chặn các phản ứng phụ tạo ra sản phẩm độc hại.
Theo nghiên cứu, các chất ô nhiễm này thấm vào biochar, lắng đọng bên trong mạng lưới lỗ xốp, tạo ra bề mặt xúc tác rộng lớn trên điện cực, thậm chí hiệu quả hơn cả xúc tác từ kim loại quý. Phương pháp này không chỉ loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải mà còn tận dụng chúng làm chất xúc tác, mang lại lợi ích kép cho môi trường và ngành năng lượng, Mahmood nói.
Hydro xanh thu được có thể lưu trữ và sử dụng khi cần. Đối với oxy, ứng dụng tốt nhất là đưa trở lại các khâu khác của hệ thống xử lý nước thải, Mahmood cho biết.
Nhóm nghiên cứu vẫn đang hoàn thiện hệ thống để thương mại hóa. “Thách thức lớn nhất là tích hợp nước thải vào hệ thống điện phân,” Mahmood nói. “Nước thải chứa nhiều thành phần khác nhau,” và ông chưa chắc chắn các chất này có ảnh hưởng đến độ ổn định của thiết bị điện phân hay không. Ngoài ra, những thành phần không tham gia phản ứng có thể gây tắc nghẽn.
Shubra Singh, nhà nghiên cứu từ Đại học Anna (Chennai, Ấn Độ), không tham gia nghiên cứu này, nhận xét rằng dù đã có những nghiên cứu trước đây tận dụng nước thải để sản xuất hydro, nghiên cứu này nổi bật ở khả năng duy trì quá trình tách nước liên tục nhiều tuần liền. Phương pháp này hứa hẹn ứng dụng trong các khu vực thiếu nước, vừa là nguồn nước vừa là nguyên liệu hóa học cho điện cực. “Nó thay thế chất xúc tác đắt tiền như bạch kim và có tiềm năng sử dụng ngoài lưới điện,” bà nói.
