Khám phá về sản xuất hydrogen mở ra tương lai cho nhiên liệu xanh

[xứ việt]

MUNICH, Đức (NV) – Các nhà nghiên cứu tại đại học Ludwig Maximilian University (LMU) gần đây tiết lộ một bước nhảy vọt mang tính đột phá trong nỗ lực khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.


Giáo Sư Emiliano Cortés, khoa học gia hàng đầu trong lãnh vực vật lý thực nghiệm và chuyển đổi năng lượng tại đại học LMU, và Tiến Sĩ Matías Herrán, nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Viện Fritz Haber thuộc Hiệp Hội Max Planck, đi sâu vào thế giới phức tạp của kỹ nghệ nano để phát triển các cấu trúc nano hiệu suất cao có thể cách mạng hóa công cuộc khai thác năng lượng mặt trời.


Trong một tuyên bố, Cortés nhấn mạnh những thách thức cốt lõi mà họ gặp phải trong việc thu được ánh sáng mặt trời: “Ánh sáng mặt trời lan tỏa tới Trái Đất ‘bị pha loãng,’ do đó năng lượng trên mỗi vùng ở Trái Đất tương đối thấp.” Các tấm pin mặt trời truyền thống giải quyết vấn đề này bằng cách bao phủ các bề mặt rộng lớn.





Các nhà nghiên cứu sử dụng một cách sắp xếp độc đáo các hạt vàng xen với bạch kim, tạo ra các “điểm nóng” nơi khả năng hấp thụ ánh sáng tăng lên đáng kể trong nỗ lực khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả hơn (Hình: Nature)

Tuy nhiên, Cortés và các đồng nghiệp đang thực hiện cách thức tiếp cận khác. Trong một công trình nghiên cứu đăng tải gần đây trên tạp chí Nature Catalysis, nhóm nghiên cứu giới thiệu một siêu tinh thể hai chiều không chỉ phá vỡ các kỷ lục mà còn đưa ra một giải pháp tiềm năng khi gặp khó khăn về pha loãng năng lượng.


Khám phá mang tính cải tiến của nhóm nằm ở cấu trúc nano plasmonic, hoạt động như những nam châm thu nhỏ gom năng lượng mặt trời. Để khai thác nguồn năng lượng này, họ hợp tác với các nhà nghiên cứu tại đại học University of Hamburg.


“Trước tiên, chúng tôi tạo ra các hạt trong phạm vi 100-200 nanometer từ kim loại plasmonic – trong khám phá này là vàng,” Herrán giải thích. “Ở kích cỡ này, ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường tương tác rất mạnh với các electron vàng, làm cho chúng dao động cộng hưởng.”


Nói chuyện với Phys.org, Cortés so sánh tiến trình này với một siêu thấu kính, nói rằng “Đối với nguồn sáng vốn có, đây là một thay đổi lớn để sau đó nó tương tác mạnh hơn nhiều với hạt nano kim loại. Chất liệu nano của chúng tôi làm được điều đó nhưng ở quy mô phân tử.” Điều này dẫn tới các electron có nguồn năng lượng rất cao, được thúc đẩy bởi khả năng thu được nhiều ánh sáng mặt trời hơn của các hạt nano.


Để thúc đẩy tiến trình này, các nhà nghiên cứu sử dụng một cách sắp xếp độc đáo các hạt vàng, tạo ra các “điểm nóng” nơi khả năng hấp thụ ánh sáng tăng lên đáng kể. Các hạt nano bạch kim, một chất liệu xúc tác mạnh, được đặt một cách có chủ ý tại các điểm nóng nêu trên.


“Bạch kim không phải là chất liệu được lựa chọn cho tiến trình xúc tác quang học vì nó hấp thụ ánh sáng mặt trời kém. Tuy nhiên, chúng tôi có thể ép nó vào các điểm nóng để tăng cường khả năng hấp thụ kém này và tạo năng lượng cho các phản ứng hóa học bằng năng lượng ánh sáng,” Herrán giải thích. “Trong trường hợp này, phản ứng biến formic acid thành hydrogen.”


“Chất liệu này giữ kỷ lục thế giới về sản xuất hydrogen xanh bằng ánh sáng mặt trời,” nhóm nghiên cứu tuyên bố. Với tốc độ sản xuất hydrogen là 139 milimol một giờ và trên mỗi gram chất xúc tác, chất liệu xúc tác quang học này là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong mục tiêu sản xuất hydrogen xanh.


Sản xuất hydrogen hiện tại phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu là khí đốt thiên nhiên. Cortés và Herran hình dung ra một tương lai xanh hơn bằng cách kết hợp plasmonic và kim loại xúc tác. “Các giải pháp về chất liệu thông minh như chúng tôi khám phá là nền tảng quan trọng cho sự thành công của kỹ nghệ,” họ nhận xét.


Việc phát triển chất liệu được cấp bằng sáng chế của họ không chỉ hứa hẹn sản xuất hydrogen hiệu quả hơn mà còn mở ra cánh cửa cho những ứng dụng tiềm năng trong các phản ứng khác, chẳng hạn như chuyển đổi khí carbon dioxide thành các chất dùng được.