Chất xúc tác bán dẫn hỗ trợ phản ứng phân tách hydro từ nước bằng năng lượng mặt trời hiệu suất cao

Sản xuất hydro ngoài trời bằng bảng bán dẫn hấp thu năng lượng mặt, phát minh này đại diện cho một bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, đạt hiệu quả đến 9.2% gấp gần 10 lần so với những thí nghiệm tách nước bằng năng lượng mặt trời theo hướng không sử dụng điện năng.

Nhưng ưu thế lớn nhất của phát minh là giảm chi phí sản xuất hydro bền vững. Lợi thế này đạt được nhờ giải pháp thu nhỏ chất bán dẫn, là thành phần đắt nhất của thiết bị. Chất bán dẫn tự phục hồi của nhóm nghiên cứu UM chịu được tác động của nguồn sáng tập trung tương đương với 160 mặt trời.

Hiện nay, hydro công nghiệp thu được từ khí mê-tan từ nhiên liệu hóa thạch, sử dụng rất nhiều năng lượng hóa thạch trong quá trình sản xuất. Nhưng thực vật thu thập các nguyên tử hydro từ nước bằng phương pháp sử dụng ánh sáng mặt trời. Khi thế giới nỗ lực giảm lượng khí thải carbon, hydro được quan tâm đặc biệt do có tiềm năng là nguồn nhiên liệu độc lập và là một thành phần trong nhiên liệu bền vững, được chế tạo ra từ carbon dioxide tái chế. Ngoài ra, hydro cần thiết cho nhiều quy trình hóa học như sản xuất phân bón.

Zetian Mi, GS kỹ thuật điện và máy tính thuộc UM, lãnh đạo nhóm nghiên cứu trong bản báo cáo khoa học trên tạp chí Nature cho biết: "Chúng tôi tin rằng, các thiết bị quang hợp nhân tạo sẽ hiệu quả hơn nhiều so với quang hợp tự nhiên, mở ra con đường hướng tới khả năng trung hòa carbon".

Kết quả nổi bật đến từ 2 đổi mới kỹ thuật. Sáng tạo đầu tiên là khả năng tập trung ánh sáng mặt trời mà không phá hủy chất bán dẫn, khai thác sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng.

"Chúng tôi đã giảm kích thước của chất bán dẫn hơn 100 lần so với một số chất bán dẫn, chỉ hoạt động ở cường độ ánh sáng yếu", Peng Zhou, nhà nghiên cứu thuộc UM về kỹ thuật điện và máy tính, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Hydro được sản xuất từ công nghệ của chúng tôi rất rẻ."

Sáng tạo kỹ thuật thứ hai là sử dụng cả phần năng lượng cao hơn của quang phổ mặt trời để tách nước và phần thấp hơn của quang phổ để cung cấp nhiệt kích thích phản ứng. Điều kỳ diệu đạt được nhờ một chất xúc tác bán dẫn tự phục hồi khi sử dụng, chống lại sự xuống cấp mà các chất xúc tác thường gặp phải khi hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời để kích hoạt và điều khiển những phản ứng hóa học.

Ngoài việc xử lý cường độ ánh sáng cao, chất bán dẫn mới có thể hoạt động mạnh ở nhiệt độ cao, nhiệt độ mà linh kiện bán dẫn máy tính có thể bị tổn hại. Nhiệt độ cao đẩy nhanh quá trình phân tách nước, kích thích các nguyên tử hydro và oxy duy trì sự tách biệt thay vì phản ứng liên kết tạo thành nước một lần nữa. Cả hai đặc tính này khiến công nghệ mới của nhóm thu được lượng khí hydro cao hơn.

Để thực hiện thí nghiệm ngoài trời, Zhou thiết lập một thấu kính có kích thước bằng cửa sổ ngôi nhà, hội tụ ánh sáng mặt trời vào một tấm bảng thí nghiệm có bề ngang chỉ vài inch. Trong bảng thí nghiệm đó, chất xúc tác bán dẫn được bao phủ trong một lớp nước, sủi bọt khí hydro và oxy mà chất bán dẫn tách ra.

Chất xúc tác được chế tạo từ các cấu trúc nano indi gallium nitride, phát triển trên bề mặt silicon. Tấm wafer bán dẫn hấp thu ánh sáng, chuyển hóa thành các electron và lỗ trống tự do - những khoảng trống tích điện dương để lại khi các electron được giải phóng bởi năng lượng ánh sáng. Những cấu trúc nano được rắc lên những quả bóng kim loại kích thước nano, có đường kính 1/2000 milimét, sử dụng các electron và lỗ trống để giúp định hướng phản ứng phân tách.

Một lớp cách nhiệt đơn giản được đặt trên đỉnh của bảng bán dẫn xúc tác, duy trì nhiệt độ ở mức 75 độ C, (167 độ F), đủ nhiệt để kích thích phản ứng đồng thời cũng là nhiệt độ khiến chất xúc tác bán dẫn hoạt động tốt. Phiên bản ngoài trời của thí nghiệm, với ánh sáng mặt trời và nhiệt độ kém tin cậy hơn, đạt hiệu suất 6,1% khi biến năng lượng từ mặt trời thành nhiên liệu hydro. Ở điều kiện trong nhà, hệ thống đạt hiệu suất 9,2 %.

Thí nghiệm phân tách nước thành hydro và oxy với chất bán dẫn làm xúc tác, sử dụng năng lượng mặt trời cường độ cao. Video Michigan Engineering.

Những thách thức tiếp theo mà nhóm nghiên cứu lên kế hoạch giải quyết là tăng cường hơn nữa hiệu quả phân tách và thu được hydro độ tinh khiết cực cao, có thể được cung cấp trực tiếp vào pin nhiên liệu.

Một phần tài sản trí tuệ liên quan đến nghiên cứu này đã được cấp phép cho công ty NS Nanotech Inc. và NX Fuels Inc., do GS Mi và Đại học Michigan đồng sáng lập. Hai công ty này được thành lập để phát triển và đưa vào thương mại hóa sản phẩm trí tuệ này.

Theo Science Daily

Thái Bằng