Vật liệu ba lớp tách điện tích để thúc đẩy sản xuất hydro xanh
Tác giả: Karin Söderlund Leifler, Đại học Linköping
Vật liệu này có thể thu được ánh sáng mặt trời hiệu quả để năng lượng trong đó có thể được sử dụng để sản xuất hydro thông qua phản ứng phân tách nước quang hóa. Nguồn: Olov Planthaber/Đại học Linköping
Theo các nhà nghiên cứu tại Đại học Linköping ở Thụy Điển, phản ứng hóa học để sản xuất hydro từ nước hiệu quả hơn gấp nhiều lần khi sử dụng kết hợp các vật liệu mới trong ba lớp. Hydro được sản xuất từ nước là nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn—đặc biệt nếu hydro được sản xuất bằng ánh sáng mặt trời.
Việc sản xuất ô tô chạy bằng xăng và dầu diesel mới sẽ bị cấm ở EU kể từ năm 2035. Động cơ điện dự kiến sẽ ngày càng phổ biến trên các phương tiện giao thông—nhưng chúng không phù hợp với mọi loại phương tiện giao thông.
"Xe ô tô chở khách có thể có pin, nhưng xe tải hạng nặng, tàu thủy hoặc máy bay không thể sử dụng pin để lưu trữ năng lượng. Đối với các phương tiện vận tải này, chúng ta cần tìm các nguồn năng lượng sạch và tái tạo, và hydro là một ứng cử viên sáng giá", Jianwu Sun, phó giáo sư tại Đại học Linköping, người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, cho biết.
Các nhà nghiên cứu của LiU đang nghiên cứu phát triển các vật liệu có thể được sử dụng để sản xuất hydro (H2) từ nước (H2O) bằng cách sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời.
Nhóm nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng một vật liệu có tên là silicon carbide khối (3C-SiC) có các đặc tính có lợi để tạo điều kiện cho phản ứng phân tách nước thành hydro và oxy. Vật liệu này có thể thu được ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả để năng lượng trong đó có thể được sử dụng để sản xuất hydro thông qua phản ứng phân tách nước quang hóa.
Jianwu Sun, phó giáo sư tại Đại học Linköping ở Thụy Điển. Nguồn: Olov Planthaber/Đại học Linköping
Trong nghiên cứu hiện tại của mình, các nhà nghiên cứu đã phát triển thêm một vật liệu kết hợp mới. Vật liệu mới bao gồm ba lớp: một lớp silicon carbide khối, một lớp coban oxit và một vật liệu xúc tác giúp phân tách nước.
"Đây là một cấu trúc rất phức tạp, vì vậy trọng tâm của chúng tôi trong nghiên cứu này là tìm hiểu chức năng của từng lớp và cách chúng giúp cải thiện các đặc tính của vật liệu. Vật liệu mới có hiệu suất tốt hơn gấp tám lần so với silicon carbide khối nguyên chất trong việc phân tách nước thành hydro", Jianwu Sun cho biết.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu, các điện tích được tạo ra, sau đó được sử dụng để phân tách nước. Một thách thức trong quá trình phát triển vật liệu cho ứng dụng này là ngăn không cho các điện tích dương và âm hợp nhất lại và trung hòa lẫn nhau.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng bằng cách kết hợp một lớp silicon carbide khối với hai lớp còn lại, vật liệu được gọi là Ni(OH)2/Co3O4/3C-SiC có khả năng phân tách các điện tích tốt hơn, do đó làm cho quá trình phân tách nước hiệu quả hơn.
Ngày nay, có sự phân biệt giữa hydro "xám" và "xanh". Hầu như tất cả hydro có trên thị trường đều là hydro "xám" được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch gọi là khí thiên nhiên hoặc khí hóa thạch. Việc sản xuất một tấn khí hydro "xám" gây ra lượng khí thải lên tới 10 tấn carbon dioxide, góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Hydro "xanh" được sản xuất bằng cách sử dụng điện tái tạo làm nguồn năng lượng.
Vật liệu mới bao gồm ba lớp: một lớp silicon carbide khối, một lớp oxit coban và một vật liệu xúc tác giúp phân tách nước. Nguồn: Olov Planthaber/Đại học Linköping
Mục tiêu dài hạn của các nhà nghiên cứu LiU là có thể chỉ sử dụng năng lượng từ mặt trời để thúc đẩy phản ứng quang hóa nhằm tạo ra hydro "xanh". Hầu hết các vật liệu đang được phát triển hiện nay có hiệu suất từ 1% đến 3%, nhưng để thương mại hóa công nghệ hydro xanh này, mục tiêu là đạt hiệu suất 10%.
Có thể thúc đẩy hoàn toàn phản ứng bằng năng lượng mặt trời sẽ làm giảm chi phí sản xuất hydro "xanh", so với việc sản xuất bằng điện tái tạo bổ sung như công nghệ hiện nay.
Jianwu Sun suy đoán rằng nhóm nghiên cứu có thể mất khoảng năm đến 10 năm để phát triển các vật liệu đạt đến giới hạn 10% đáng mơ ước.
Thông tin thêm: Hui Zeng và cộng sự, Thao tác cấu trúc electron thông qua kỹ thuật giao diện kép của quang anode 3C-SiC để tăng cường phân tách nước bằng năng lượng mặt trời, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04005
Thông tin tạp chí: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ
Do Đại học Linköping cung cấp
