Hydro có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe cộ, lưu trữ năng lượng tái tạo hoặc sản xuất điện. Sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời, dựa trên các chất xúc tác quang hấp thụ ánh sáng mặt trời và sử dụng năng lượng đó để phân tách nước thành hydro và oxy.

Cách tiếp cận này hấp dẫn vì nó có thể tạo ra nhiên liệu mà không phát thải carbon. Tuy nhiên, nhiều chất xúc tác quang hiện có gặp phải một hạn chế cơ bản. Chúng chỉ hấp thụ một phần nhỏ ánh sáng nhìn thấy được (ánh sáng khả kiến), không thể tận dụng phần lớn quang phổ mặt trời.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện khoa học Tokyo (Nhật Bản) phát triển chất xúc tác quang mới, có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng dài, cho phép nó sử dụng nhiều năng lượng mặt trời hơn so với các hệ thống thông thường.

Bước đột phá này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời, giúp đưa các công nghệ hydro đến gần hơn với việc sử dụng hằng ngày, mang lại tiềm năng thúc đẩy các công nghệ nhiên liệu sạch.

Chất xúc tác quang là vật liệu hấp thụ ánh sáng và sử dụng năng lượng đó để thúc đẩy các phản ứng hóa học, chẳng hạn như phân tách nước thành hydro và oxy. Nhiều chất xúc tác quang hiện có, chỉ hấp thụ ánh sáng nhìn thấy có năng lượng cao, bỏ phí phần lớn quang phổ mặt trời.

Trong điều kiện thực tế ngoài trời, điều này làm hạn chế lượng hydro có thể sản xuất. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu thiết kế một chất xúc tác quang nhạy cảm với chất nhuộm. Trong hệ thống này, phân tử chất nhuộm hoạt động như một ăng-ten thu ánh sáng.

Nó hấp thụ ánh sáng và truyền năng lượng cho chất xúc tác, sau đó chất xúc tác sử dụng năng lượng đó để tạo ra hydro. Hầu hết hệ thống nhạy cảm với chất nhuộm đều dựa vào chất nhuộm chứa kim loại ruthenium, chỉ có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy đến khoảng 600 nanomet.

Các nhà nghiên cứu thực hiện một thay đổi quan trọng, là thay thế ruthenium bằng osmium ở trung tâm của phân tử chất nhuộm. Điều này cho phép chất nhuộm mới gốc osmium, hấp thụ các bước sóng dài hơn của ánh sáng nhìn thấy được, từ 600 đến 800 nanomet.

Vì chất nhuộm mới có khả năng thu nhiều quang phổ mặt trời hơn, nên nó tạo ra nhiều electron kích thích hơn khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Các electron này rất cần thiết để thúc đẩy các phản ứng hóa học giải phóng hydro, trực tiếp cải thiện quá trình sản xuất hydro.

Kết quả là chất xúc tác quang mới đạt hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời để sản xuất hydro cao gấp đôi so với các hệ thống truyền thống trong cùng điều kiện. Sự cải tiến này có liên quan đến hiệu ứng vật lý gắn liền với các kim loại nặng như osmium.

Hiệu ứng này cho phép các electron chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn, có thể được kích hoạt bởi ánh sáng có bước sóng dài hơn. Nói một cách đơn giản, osmium giúp chất xúc tác tận dụng tốt hơn ánh sáng mặt trời dịu nhẹ, ít năng lượng hơn mà trước đây bị lãng phí.

Khả năng này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng thực tế sử dụng năng lượng mặt trời. Các công nghệ như quang hợp nhân tạo, sản xuất nhiên liệu hydro có thể hưởng lợi từ các vật liệu hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng không lý tưởng.

Mặc dù cần tối ưu hóa thêm để cải thiện độ bền, chi phí và sản xuất quy mô lớn, nghiên cứu này tạo ra đột phá cho chất xúc tác quang thế hệ tiếp theo. Bằng cách mở rộng phạm vi ánh sáng mặt trời có thể sử dụng, chất xúc tác quang mới đưa việc sản xuất hydro đến gần hơn với tính khả thi, hiệu quả và phổ biến rộng rãi. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Catalysis.