Vật liệu rắn có thể lưu trữ và giải phóng hydro bằng ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED
(Nguồn: Viện Khoa học Tokyo)
Hydro silicane nhiều lớp (L-HSi) là một chất mang hydro rắn đầy triển vọng, có thể khắc phục những nhược điểm của các hệ thống lưu trữ hydro thông thường, đồng thời tiết kiệm chi phí và bền vững. (Nguồn ảnh: Viện Khoa học Tokyo)
Hydro, một nguồn năng lượng sạch, đòi hỏi một hệ thống lưu trữ an toàn và đáng tin cậy, điều mà hiện nay vẫn còn thiếu. Hydro silicane nhiều lớp (L-HSi) là một chất mang hydro rắn đầy triển vọng, an toàn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng, có tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Vật liệu này giải phóng hydro khi được chiếu xạ bằng các nguồn sáng khả kiến cường độ thấp như ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED. L-HSi đại diện cho một hướng nghiên cứu mới về hệ thống chất mang hydro.
Hydro là một loại nhiên liệu đầy triển vọng có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống vì nó không phát thải carbon dioxide trong quá trình đốt cháy hoặc oxy hóa và có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau. Tuy nhiên, nền kinh tế dựa trên hydro không chỉ đòi hỏi sản xuất sạch mà còn cả việc lưu trữ và vận chuyển hydro an toàn và hiệu quả.
(Nguồn ảnh: Viện Khoa học Tokyo) Các hệ thống hiện tại có một số nhược điểm: bình chứa hydro nén có mật độ hydro thấp và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ, trong khi bình chứa hydro lỏng đòi hỏi nhiệt độ cực thấp và năng lượng đáng kể.
Amoniac là một chất mang hydro lỏng nổi tiếng với mật độ hydro cao, nhưng quá trình khử hydro của nó đòi hỏi nhiều năng lượng và đi kèm với các vấn đề như tính ăn mòn và độc hại.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang các vật liệu mang hydro ở thể rắn. Tuy nhiên, hầu hết các hợp kim thể rắn đều bao gồm các kim loại nặng và có khả năng chứa hydro theo trọng lượng hạn chế.
Trong một bước đột phá, một nhóm nghiên cứu gồm ông Hirona Ito và Giáo sư Masahiro Miyauchi từ Viện Khoa học Tokyo (Science Tokyo), bà Mio Nakai và Giáo sư Hideyuki Nakano từ Đại học Kindai, và Giáo sư Takahiro Kondo từ Đại học Tsukuba, Nhật Bản, đã phát hiện ra một chất mang hydro ở thể rắn mới có tên là hydro silicane nhiều lớp (L-HSi).
Hydro có thể được giải phóng từ L-HSi bằng cách chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy được ở nhiệt độ và áp suất môi trường. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Advanced Optical Materials.
L-HSi bao gồm silicon và hydro theo tỷ lệ 1:1 và thể hiện khả năng lưu trữ hydro theo trọng lượng cao là 3,44% theo trọng lượng. Không giống như các hệ thống lưu trữ hydro thông thường, nó là một chất mang hydro rắn ổn định có thể giải phóng hydro chỉ bằng cách tiếp xúc với các nguồn sáng cường độ thấp như ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED.
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp L-HSi thông qua quá trình khử canxi của CaSi2 trong phản ứng với HCl và thử nghiệm các đặc tính giải phóng hydro của nó. Họ đặt bột L-HSi trong môi trường khí argon trong một lò phản ứng kiểu dòng khí và chiếu xạ nó bằng đèn xenon ở nhiệt độ và áp suất môi trường.
Khoảng cách vùng cấm quang học của L-HSi là 2,13 eV, tương ứng với bước sóng 600 nm, hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Đèn được bật 10 phút sau khi thí nghiệm bắt đầu và tắt ở phút thứ 60. Trong quá trình chiếu xạ, các nhà nghiên cứu đã quan sát rõ ràng sự hình thành hydro dạng khí.
Các thử nghiệm gia nhiệt tiếp theo trong môi trường tối và phân tích quang phổ chi tiết đã xác nhận rằng sự giải phóng hydro không phải do quá trình quang nhiệt, mà thay vào đó, được thúc đẩy bởi sự kích thích vùng cấm của L-HSi. Cụ thể, hydro được giải phóng khi chiếu xạ bằng các bước sóng dưới 600 nm. Vật liệu này cho thấy hiệu suất lượng tử tối đa là 7,3% ở bước sóng 550 nm.
Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành các thử nghiệm chiếu xạ dài hạn, trong đó L-HSi được phân tán trong môi trường hữu cơ bên trong lò phản ứng phân tán. Dưới sự tiếp xúc kéo dài với ánh sáng nhìn thấy, khoảng 46,7% các nguyên tử hydro liên kết đã được giải phóng. Nhóm nghiên cứu cũng xác nhận rằng hydro có thể được sản xuất hiệu quả bằng cách sử dụng các nguồn sáng cường độ thấp, tiết kiệm, bao gồm ánh sáng mặt trời và đèn LED.
L-HSi là một chất mang hydro rắn đầy triển vọng, có thể mở ra những khả năng mới cho việc lưu trữ hydro an toàn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng. Trong tương lai, nghiên cứu của họ sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng đảo ngược và khả năng mở rộng quy mô của nó cho các ứng dụng thực tế.
Thông tin chi tiết: Hirona Ito và cộng sự, Giải phóng hydro từ silican hydro nhiều lớp dưới tác động của ánh sáng nhìn thấy, Vật liệu quang học tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adom.202502880
Thông tin tạp chí: Vật liệu quang học tiên tiến
Cung cấp bởi Viện Khoa học Tokyo
