Thiết bị tạo ra hydro từ ánh sáng mặt trời với hiệu quả kỷ lục
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 halogen 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.
Ayush Agrawal (từ trái sang), Faiz Mandani và Austin Fehr. (Ảnh của Gustavo Raskosky/Đại học Rice)
Công nghệ mới này là một bước tiến quan trọng đối với năng lượng sạch và có thể đóng vai trò là nền tảng cho một loạt các phản ứng hóa học sử dụng điện năng thu được từ năng lượng mặt trời để chuyển đổi nguyên liệu thô thành nhiên liệu.
Phòng thí nghiệm của kỹ sư hóa học và sinh học phân tử Aditya Mohite đã chế tạo lò phản ứng quang tích hợp bằng cách sử dụng hàng rào chống ăn mòn giúp cách ly chất bán dẫn khỏi nước mà không cản trở quá trình truyền điện tử. Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, thiết bị này đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro là 20,8%.
“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,” Austin Fehr, nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, đồng thời là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “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. Tại đây, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống hấp thụ ánh sáng và hoàn thành quá trình điện hóa hóa học tách nước trên bề mặt của nó”.
Loạt bốn ảnh tĩnh từ một video mẫu cho thấy cách một lò phản ứng quang từ Đại học Rice phân tách các phân tử nước và tạo ra hydro khi được kích thích bởi ánh sáng mặt trời mô phỏng. (Hình ảnh do phòng thí nghiệm Mohite/Đại học Rice cung cấp)
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 năng để cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học đều xảy 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 bởi hiệu suất thấp và giá thành cao của chất bán dẫn.
Michael Wong (Ảnh do Michael Wong/Đại học Rice cung cấp)
Fehr cho biết: “Tất cả các thiết bị thuộc loại này đều tạo ra hydro xanh chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời và nước, nhưng thiết bị của chúng tôi là ngoại lệ vì nó có hiệu suất phá kỷ lục và sử dụng chất bán dẫn rất rẻ”.
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 một 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 perulfit halogenua cực kỳ không ổn định trong nước và các lớp phủ được sử dụng để cách điện chất bán dẫn cuối cùng đã làm gián đoạn chức năng của chúng hoặc làm hỏng chúng.
Michael Wong, một kỹ sư hóa học của Rice và là 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 những thử nghiệm kéo dài không mang lại kết quả mong muốn, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã tìm ra một giải pháp chiến thắng.
Aditya Mohite (Ảnh do Aditya Mohite/Đại học Rice cung cấp)
Fehr cho biết: “Cái nhìn sâu sắc quan trọng của chúng tôi là bạn cần hai lớp cho hàng rào, một lớp để chặn nước và một lớp để tạo tiếp xúc điện tốt giữa các lớp perovskite và lớp bảo vệ. “Kết quả của chúng tôi là hiệu quả cao nhất đối với các tế bào quang điện hóa không có nồng độ năng lượng mặt trời và là tổng thể tốt nhất đối với những tế bào sử dụng chất bán dẫn perovskite halogenua.
Fehr cho biết: “Đây là lần đầu tiên cho một lĩnh vực có lịch sử bị thống trị bởi các chất bán dẫn đắt đỏ và có thể là con đường dẫn đến tính khả thi thương mại lần đầu tiên cho loại thiết bị này.
Các nhà nghiên cứu đã cho thấy thiết kế rào cản của họ hoạt động đối với các phản ứng khác nhau và với các chất bán dẫn khác nhau, khiến nó có thể áp dụng 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 điều khiển nhiều loại điện tử cho các phản ứng tạo thành nhiên liệu sử dụng nguyên liệu dồi dào chỉ có ánh sáng mặt trời làm năng lượng đầu vào”.
“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,” Fehr nói thêm.
Một lò phản ứng quang 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%. (Ảnh của Gustavo Raskoksy/Đại học Rice)
Sinh viên tốt nghiệp Rice Ayush Agrawal và Faiz Mandani là tác giả chính của nghiên cứu cùng với Fehr. Công trình này cũng được thực hiện một phần bởi Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, được điều hành bởi Alliance for Sustainable Energy LLC cho Bộ Năng lượng theo Hợp đồng DE-AC36-08GO28308.
Mohite là phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, đồng thời là giám đốc khoa của Sáng kiến Kỹ thuật Lúa gạo để Chuyển đổi Năng lượng và Bền vững, hay còn gọi là Tái tạo. Wong là Giáo sư Công nghệ nano phân tử của Tina và Sunit Patel, chủ tịch và giáo sư về điện tử hóa học và kỹ thuật 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.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. và Cơ quan quản lý thiết bị dùng chung của Rice.
