‘Lá nhân tạo’ sản xuất năng lượng từ không khí và ánh nắng

Các chuyên gia tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne (EPFL) đã lấy cảm hứng chế tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng kể trên từ quá trình quang hợp của thực vật.

Giáo sư Kevin Sivula tại EFPL giải thích rằng quá trình quang hợp tự nhiên xảy ra bằng cách lấy carbon dioxide từ không khí và kết hợp với ánh nắng mặt trời để biến thành hydro và oxy. Thành quả thu được là đường, thứ giúp lưu trữ hiệu quả ánh sáng mặt trời ở một dạng chất hóa học. Do vậy, ông Sivula và các đồng nghiệp đã muốn làm điều tương tự: lấy ánh sáng mặt trời và hơi nước từ không khí rồi lưu trữ năng lượng ánh sáng mặt trời đó dưới dạng hydro.

Nghiên cứu của ông Sivula và nhóm đồng nghiệp vừa được giới thiệu chi tiết trên tạp chí Advanced Materials. Họ đã cho ra đời của một tấm vi mạch nhỏ, trong suốt làm bằng sợi thủy tinh được bao phủ bởi vật liệu bán dẫn. Thiết bị này sử dụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước thành hydro và oxy.

“Chúng ta có rất nhiều ánh sáng mặt trời, nhưng không phải lúc nào mặt trời cũng chiếu sáng. Vì vậy, chúng tôi cần một cách để lưu trữ ánh sáng mặt trời để sử dụng trong tương lai. Và lưu trữ ánh sáng mặt trời ở dạng hydro là lựa chọn hàng đầu để thực hiện điều này”, Giáo sư Sivula lý giải thêm.

Thiết bị của nhóm chuyên gia Thụy Sĩ đã kết hợp công nghệ chất bán dẫn với một thành phần độc đáo: các điện cực có ba đặc điểm chính. Các điện cực đó được ví như những chiếc lá nhân tạo, có cấu trúc xốp để tiếp xúc tối đa với nước trong không khí và có tính dẫn điện.

Có thể nói rằng đặc tính quan trọng nhất của các điện cực chính là cấu tạo của chúng: một mạng lưới sợi thủy tinh 3D. Điều này có nghĩa là điện cực sẽ trong suốt, qua đó tối đa hóa lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới lớp phủ bán dẫn.

Thiết bị này gồm ba phần chính: một quang cực dương nơi oxy được tạo ra từ quá trình oxy hóa nước, một màng để vận chuyển các proton đến một cực âm quang, nơi các proton bị khử thành hydro và một lớp phủ bán dẫn cho phép phản ứng quang điện hóa xảy ra để tạo ra hydro.

Mặc dù quá trình quang hợp nhân tạo đã được triển khai từ trước đó, nhưng công nghệ mới của EFPL lại giải quyết được hai vấn đề là hấp thu nước từ không khí và cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học với ánh sáng mặt trời. Nhóm nghiên cứu cũng tìm ra một cách thực tiễn hơn để hấp thu nước là sử dụng hơi ẩm thay vì nước dạng lỏng. Nhờ vậy, “lá nhân tạo” có thể tránh được các vấn đề còn tồn tại của những thiết bị quang điện hóa hiện nay như cần sử dụng ánh sáng để kích thích vật liệu cảm quang hoặc chất bán dẫn ngâm trong chất lỏng, để tạo phản ứng hóa học.

Trên thực tế, các thiết bị quang điện hóa sử dụng chất lỏng đều khó nhân rộng quy mô sử dụng vì chúng rất khó chế tạo và tốn kém.

“Chúng tôi đã cố gắng sử dụng các phương pháp đơn giản có thể dễ dàng mở rộng ứng dụng. Tuy nhiên, chúng tôi cần phải nghiên cứu sâu hơn để để tăng hiệu suất của thiết bị trước khi chuyển sang giai đoạn mở rộng”, Giáo sư Sivula nhấn mạnh.

Hiện tại, nhóm của ông đang tập trung vào việc tối ưu hóa cơ học, hóa học và hiệu quả của thiết bị “lá nhân tạo”. Nếu cải thiện thành công quá trình chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời sang hydro cùng độ ổn định của nó, các hệ thống lá nhân tạo có thể được lắp đặt ở khắp nơi, kể cả trong môi trường khô cằn như sa mạc lẫn những nơi có môi trường ẩm ướt, thiếu ánh nắng.

Theo ông Sivula, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành các liên kết hóa học như hydro là một cách tiếp cận thực tế cho phép chúng ta tiến tới một nền kinh tế không phát thải carbon và giảm tác động đối với môi trường.