Tách nước bằng năng lượng mặt trời
Tách nước bằng năng lượng mặt trời là một phương pháp đầy hứa hẹn tạo ra năng lượng sạch và đồng thời có thể lưu trữ năng lượng. Một chất xúc tác mới dựa trên các hạt nano bán dẫn đã được chứng minh là tạo điều kiện thuận lợi cho tất cả các phản ứng cần thiết của hiện tượng “quang hợp nhân tạo” đã được nghiên cứu có những bước thành công nhất định vừa được trường Đại Học Lugwig – Maximilians, Đức công bố.
Page Content
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, cần có một nhu cầu cấp bách để phát triển các phương pháp hiệu quả để thu thập và lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo. Việc tách nước bằng phương pháp xúc tác quang học thành nhiên liệu hydro và oxy cung cấp một cách tiếp cận đặc biệt hấp dẫn trong bối cảnh này. Tuy nhiên, việc thực hiện hiệu quả quá trình này bằng cách bắt chước quá trình quang hợp sinh học, về mặt kỹ thuật là rất khó khăn, vì nó liên quan đến sự kết hợp của các quá trình có thể gây trở ngại cho nhau. Nghiên cứu mới này do Tiến sĩ Jacek Stolarczyk và Giáo sư Jochen Feldmann đứng đầu, phối hợp với các nhà hóa học tại Đại học Würzburg (Đức) đã lần đầu tiên thành công trong việc chứng minh một phương pháp tách nước hoàn toàn với một chất xúc tác trong một hệ thống. Nghiên cứu mới của họ đẵ được đăng trên Tạp chí Năng lượng tự nhiên (Nature Energy). Các phương pháp kỹ thuật để phân tách nước với xúc tác quang học của các phân tử nước sử dụng các thành phần tổng hợp để bắt chước các quá trình phức tạp diễn ra trong quá trình quang hợp tự nhiên. Trong các hệ thống như vậy, về nguyên tắc, các hạt nano bán dẫn hấp thụ lượng tử ánh sáng (photon) có thể có vai trò như các chất xúc tác quang học. Sự hấp thụ của photon tạo ra hạt tích điện âm (electron) với một hạt tích điện dương, và hai hạt phải tách biệt về mặt không gian sao cho một phân tử nước có thể tách thành hydro bị oxy hóa tạo thành oxy. Tiến sĩ Stolarczyk cho biết: “Nếu một người chỉ muốn tạo ra khí hydro từ nước, phương pháp này thường được loại bỏ nhanh chóng bằng cách thêm các thuốc thử hóa học. Nhưng để đạt được sự tách nước hoàn toàn, phương pháp phải tạo được một cách nào đó để giữ lại trong hệ thống để làm chậm quá trình oxy hóa nước." Vấn đề nằm ở việc làm thế nào cho phép hai nửa phản ứng diễn ra đồng thời trên một hạt đơn - trong khi đảm bảo rằng các phân tử tích điện trái ngược không tái kết hợp. Ngoài ra, nhiều chất bán dẫn có thể bị oxy hóa, và do đó bị phá hủy bởi các lỗ tích điện dương. Tiến sĩ Stolarczyk giải thích: “Chúng tôi đã giải quyết vấn đề bằng cách sử dụng một bộ tinh thể nanorod làm bằng vật liệu bán dẫn cadmium sulfate, và phân cách không gian các khu vực mà phản ứng oxy hóa và giảm xảy ra trên các tinh thể nano này. Các nhà nghiên cứu đã bổ sung thêm các nanorod với các hạt bạch kim nhỏ, có vai trò hoạt động như các chất nhận cho các electron bị kích thích bởi sự hấp thụ ánh sáng. Như nhóm LMU đã chỉ ra trước đây, cấu hình này cung cấp một chất xúc tác quang học hiệu quả để giảm lượng nước thành khí hydro. Phản ứng oxy hóa, mặt khác, diễn ra ở hai bên của bộ nanorod. Để kết thúc này, các nhà nghiên cứu LMU gắn liền với các bề mặt một chất xúc tác oxy hóa dựa trên ruthenium được phát triển bởi nhóm của Würthner. Hợp chất này được trang bị các nhóm chức năng theo nó vào nanorod”. Tiến sĩ Peter Frischmann, một trong những người khởi xướng dự án ở Würzburg cho biết: “Các nhóm này cung cấp vận chuyển cực nhanh bởi các chất xúc tác, tạo điều kiện cho việc tạo ra oxy hiệu quả và giảm thiểu thiệt hại cho các nanorod”. Nghiên cứu được thực hiện như một phần của dự án liên ngành "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), Công nghệ Năng lượng Mặt trời tách Hydro được tài trợ bởi bang Bavaria, Cộng hòa Liên Bang Đức. Giáo sư Jochen Feldmann, Chủ tịch Photonics và Optoelectronics tại LMU cho biết: “Nhiệm vụ của SolTech là khám phá các khái niệm sáng tạo cho việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu phi hóa thạch. Sự phát triển của hệ thống quang xúc tác mới là một ví dụ thí điểm về cách SolTech tập hợp chuyên môn có sẵn trong các lĩnh vực khác nhau và tại các địa điểm khác nhau về lĩnh vực công nghệ quang học. Dự án không thể thành công nếu không có sự hợp tác liên ngành giữa các nhà hóa học và vật lý để đạt được những bước phát triển về công nghệ quang học và khoa học nghiên cứu về nước, năng lượng”.
21/12/2018
Theo Cục quản lý tài nguyên nước
