Các kỹ sư của Đại học Rice đã phát triển một thiết bị có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hydro với hiệu quả chưa từng có. Thiết bị này là một tế bào quang điện hóa, kết hợp chất bán dẫn perovskite halogenua thế hệ tiếp theo và chất xúc tác điện. Nó là một nền tảng tiềm năng cho các phản ứng hóa học sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi nguyên liệu thành nhiên liệu. (Khái niệm của nghệ sĩ.)
Tiêu chuẩn mới cho công nghệ hydro xanh do các kỹ sư của Rice U. đặt ra.
Các kỹ sư của Đại học Rice có thể biến ánh sáng mặt trời thành hydro với hiệu suất kỷ lục nhờ một thiết bị kết hợp chất bán dẫn perovskite halogenua thế hệ tiếp theo với chất xúc tác điện trong một thiết bị duy nhất, bền, tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng.
Công nghệ mới này là một bước tiến đáng kể về năng lượng sạch và có thể đóng vai trò là nền tảng cho một loạt các phản ứng hóa học sử dụng điện thu được từ năng lượng mặt trời để chuyển đổi nguyên liệu thô thành nhiên liệu.
Thiết kế lò phản ứng quang mang tính cách mạng
Phòng thí nghiệm của Aditya Mohite, chuyên về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, dẫn đầu việc chế tạo lò phản ứng quang học tích hợp này. Yếu tố quan trọng trong thiết kế của thiết bị là hàng rào chống ăn mòn giúp cách ly hiệu quả chất bán dẫn khỏi nước mà không cản trở sự truyền điện tử. Theo báo cáo trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications , thiết bị này tự hào có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro ấn tượng 20,8%.
Một lò phản ứng quang học do nhóm nghiên cứu Mohite của Đại học Rice và các cộng tác viên phát triển đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro là 20,8%. Nhà cung cấp hình ảnh: Gustavo Raskosky/Đại học Rice
Austin Fehr, một nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc này. “Sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng để sản xuất hóa chất là một trong những rào cản lớn nhất đối với nền kinh tế năng lượng sạch. Mục tiêu của chúng tôi là xây dựng các nền tảng khả thi về mặt kinh tế có thể tạo ra nhiên liệu có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời. Ở đây, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống hấp thụ ánh sáng và hoàn thành quá trình hóa học phân tách nước điện hóa trên bề mặt của nó.”
Vượt qua thách thức với tế bào quang điện hóa
Thiết bị này được gọi là tế bào quang điện hóa vì quá trình hấp thụ ánh sáng, chuyển đổi ánh sáng thành điện năng và sử dụng điện để cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học đều diễn ra trong cùng một thiết bị. Cho đến nay, việc sử dụng công nghệ quang điện hóa để sản xuất hydro xanh bị cản trở do hiệu suất thấp và giá thành chất bán dẫn cao.
Chuỗi bốn hình ảnh tĩnh từ một video mẫu cho thấy cách lò phản ứng quang học của Đại học Rice phân tách các phân tử nước và tạo ra hydro khi được kích thích bởi ánh sáng mặt trời mô phỏng. Nguồn: Phòng thí nghiệm Mohite/Đại học Rice
Fehr giải thích sự khác biệt của phát minh của họ: “Tất cả các thiết bị thuộc loại này đều tạo ra hydro xanh chỉ bằng ánh sáng mặt trời và nước, nhưng thiết bị của chúng tôi đặc biệt vì nó có hiệu suất kỷ lục và sử dụng chất bán dẫn rất rẻ”.
Hành trình đổi mới và tầm nhìn tương lai
Phòng thí nghiệm Mohite và các cộng tác viên đã tạo ra thiết bị này bằng cách biến pin mặt trời có tính cạnh tranh cao của họ thành lò phản ứng có thể sử dụng năng lượng thu được để tách nước thành oxy và hydro. Thách thức mà họ phải vượt qua là perovskite halogenua cực kỳ không ổn định trong nước và lớp phủ dùng để cách điện chất bán dẫn cuối cùng đã làm gián đoạn chức năng của chúng hoặc làm hỏng chúng.
Ayush Agrawal (từ trái sang), Faiz Mandani và Austin Fehr. Nhà cung cấp hình ảnh: Gustavo Raskosky/Đại học Rice
Michael Wong, kỹ sư hóa học của Rice và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Trong hai năm qua, chúng tôi đã thử đi thử lại các vật liệu và kỹ thuật khác nhau.
Sau nhiều thử nghiệm kéo dài không mang lại kết quả như mong muốn, cuối cùng các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp thành công.
Fehr cho biết: “Cái nhìn sâu sắc quan trọng của chúng tôi là bạn cần hai lớp cho rào chắn, một lớp để chặn nước và một lớp để tạo ra sự tiếp xúc điện tốt giữa các lớp perovskite và lớp bảo vệ”. “Kết quả của chúng tôi là hiệu suất cao nhất đối với các tế bào quang điện hóa không có sự tập trung năng lượng mặt trời và là hiệu suất tổng thể tốt nhất cho những tế bào sử dụng chất bán dẫn perovskite halogenua.
Michael Wong là Giáo sư Tina và Sunit Patel của Đại học Rice về Công nghệ nano phân tử, chủ tịch và giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, đồng thời là giáo sư hóa học, khoa học vật liệu và công nghệ nano, cũng như kỹ thuật dân dụng và môi trường. Nguồn: Michael Wong/Đại học Rice
Fehr cho biết: “Đây là lần đầu tiên đối với một lĩnh vực trước đây bị thống trị bởi các chất bán dẫn cực kỳ đắt tiền và có thể là con đường dẫn đến tính khả thi thương mại cho loại thiết bị này lần đầu tiên”.
Aditya Mohite là phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, đồng thời là giám đốc khoa của Sáng kiến Kỹ thuật Lúa gạo về Chuyển đổi Năng lượng và Bền vững, hay REINVENTS. Nhà cung cấp hình ảnh: Aditya Mohite/Đại học Rice
Các nhà nghiên cứu cho thấy thiết kế rào cản của họ có tác dụng với các phản ứng khác nhau và với các chất bán dẫn khác nhau, khiến nó có thể áp dụng được trên nhiều hệ thống.
Mohite cho biết: “Chúng tôi hy vọng rằng những hệ thống như vậy sẽ đóng vai trò là nền tảng để thúc đẩy nhiều loại điện tử tham gia các phản ứng tạo nhiên liệu bằng cách sử dụng nguyên liệu dồi dào chỉ có ánh sáng mặt trời làm năng lượng đầu vào”.
Fehr cho biết thêm: “Với những cải tiến hơn nữa về tính ổn định và quy mô, công nghệ này có thể mở ra nền kinh tế hydro và thay đổi cách con người tạo ra mọi thứ từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu mặt trời”.
Tham khảo: “Tế bào quang điện hóa perovskite halogenua tích hợp với hiệu suất tách nước sử dụng năng lượng mặt trời là 20,8%” của Austin MK Fehr, Ayush Agrawal, Faiz Mandani, Christian L. Conrad, Qi Jiang, So Yeon Park, Olivia Alley, Bor Li, Siraj Sidhik, Isaac Metcalf, Christopher Botello, James L. Young, Jacky Even, Jean Christophe Blancon, Todd G. Deutsch, Kai Zhu, Steve Albrecht, Francesca M. Toma, Michael Wong và Aditya D. Mohite, ngày 26 tháng 6 năm 2023, Nature Communications .
