Lá nhân tạo mới – nguồn nhiên liệu mới

Lá nhân tạo do nhóm nghiên cứu tại USTH chế tạo.

Những chiếc lá nhân tạo rất mỏng, nhẹ và có công năng giúp phân giải nước thành khí hidro và oxy để tạo ra nguồn nhiên liệu mới.

Tạo ra năng lượng từ cơ chế quang hợp của lá cây

Ánh sáng Mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch và vô cùng dồi dào từ thiên nhiên. "Bắt chước" cơ chế quang hợp của lá cây tự nhiên, nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Khoa học và Công nghệ - USTH (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), PTN Hóa học và Sinh học Kim loại (Trung tâm và Năng lượng nguyên tử và Năng lượng thay thế CEA – Grenoble, CH Pháp) đã hợp tác nghiên cứu chế tạo lá nhân tạo - một thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng hóa học tích trữ trong nhiên liệu hydro (H2) thông qua quá trình quang phân tách nước.

Nhiên liệu H2 sau đó có thể được lưu trữ, vận chuyển và sử dụng trong các pin nhiên liệu. Sản phẩm của quá trình sử dụng nhiên liệu này chỉ là nước, do vậy không gây ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này đã được nhóm bắt đầu triển khai tại USTH từ năm 2015.

Lá nhân tạo phiên bản đầu tiên là một thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng hóa học tích trữ trong nhiên liệu H2 (273 KJ/mol H2) thông qua quá trình quang phân tách nước biển. Nhiên liệu H2 sau đó được lưu trữ, vận chuyển và sử dụng trong pin nhiên liệu.

Sản phẩm của quá trình sử dụng nhiên liệu này chỉ là H20. Một lá nhân tạo bao gồm hai phần chính là chất hấp thụ ánh sáng Mặt trời và xúc tác cho quá trình phân ly nước tạo hydro và oxy.

Chiếc lá nhân tạo đầu tiên này có khả năng làm việc ít nhất 10 giờ. Lá được chế tạo dễ dàng với lượng lớn các vật liệu dễ kiếm trong tự nhiên như silic, coban, wolfram, molypden.

Sau phiên bản lá nhân tạo đầu tiên, nhóm nghiên cứu vừa công bố kết quả nghiên cứu chế tạo "lá nhân tạo" cho phép điều chế nhiên liệu hydro từ nước và ánh sáng Mặt trời với hiệu suất 1,9% trên tạp chí của Hội Hóa học Mỹ (Journal of the American Chemical Society).

Đây là một trong những tạp chí khoa học uy tín hàng đầu trong lĩnh vực hóa học, ra đời năm 1879 của Hiệp hội Hóa học Mỹ với chỉ số Impact Factor: 15.42.

Để có thể ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, nâng cao hiệu suất tạo H2 cũng như kéo dài "tuổi thọ" của lá nhân tạo đang là bài toán khó đặt ra cho các nhóm nghiên cứu không chỉ tại USTH, mà còn tại nhiều quốc gia.

"Bắt bệnh" cho lá nhân tạo

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí của Hội Hóa học Mỹ ngày 27/5/2022, "lá nhân tạo" được tạo thành khi nhúng một tấm pin Mặt trời trong dung dịch và chiếu sáng nó bởi ánh sáng Mặt trời.

Pin Mặt trời hấp thụ ánh sáng, tạo ra năng lượng cần thiết phân hủy và tạo 2 lớp xúc tác CoWO và CoWS lắng đọng lên mặt trước và mặt sau của pin Mặt trời, hoàn thành cấu trúc lá nhân tạo mong muốn. Trong dung dịch pH7, lá nhân tạo này cho hiệu suất tạo H2 đạt 1,9%.

Cũng trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công kỹ thuật xác định lỗi của "lá nhân tạo" để từ đó "bắt bệnh" tìm ra nguyên nhân sai hỏng và đưa ra phương pháp bảo vệ, kéo dài "tuổi thọ" của thiết bị này.

Theo PGS.TS Trần Đình Phong, sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh, việc xác định cơ chế hoạt động, tìm kiếm các điểm nghẽn, hay nguyên nhân gây ra sai hỏng của "lá nhân tạo" là rất khó khăn.

Phương pháp mới mà nhóm phát triển sử dụng đồng thời 2 hoặc 3 máy đo điện hóa có ý nghĩa đột phá góp phần giải quyết vấn đề mà các nhóm nghiên cứu về lá nhân tạo trên thế giới đang phải đối mặt. Từ những hiểu biết về các lỗi phát sinh ở lá nhân tạo, các nhà khoa học có thể đưa ra phương pháp xử lý, để bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của nó.

TS Trần Đình Phong cho biết, hiện nay đang có nhiều trung tâm lớn trên thế giới thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực này. Có khá nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong vài năm qua nhưng con đường đi tới công nghệ dùng nhiên liệu H2 thay thế xăng dầu còn rất xa.

"Cũng có lúc, bên lề các hội thảo quốc tế, những người làm nghiên cứu tự hỏi nhau liệu chúng tôi có đang "mơ" một giấc mơ quá lớn hay không? Có thể, trong tương lai khi chiếc lá nhân tạo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sản xuất công nghiệp được chế tạo thành công thì một công nghệ khác ưu việt hơn được phát triển và ứng dụng. Nhưng ở hiện tại, chúng tôi vẫn đang làm hết sức mình để hiện thực hóa giấc mơ", TS Phong chia sẻ.