Ánh sáng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng dồi dào nhất trên Trái đất, nhưng chúng ta không thể sử dụng nó ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào cần. Điều này do việc lưu trữ năng lượng mặt trời và vận chuyển từ các vùng nhiều nắng đến nơi có ít ánh sáng mặt trời vẫn còn tốn kém và không hiệu quả.
Một nhóm nhà nghiên cứu hiện chứng minh rằng, ánh sáng mặt trời có thể lưu trữ bên trong chất lỏng, bằng cách sử dụng vật liệu hóa chất đơn giản, sau đó chuyển đổi thành khí hydro, hoàn toàn trong bóng tối. Phương pháp này không cần dây dẫn, pin hoặc lưới điện để truyền tải năng lượng.
Hơn nữa, cho đến nay, chưa có hệ thống nào sử dụng các vật liệu đơn giản, có sẵn trên thị trường để lưu trữ năng lượng mặt trời, sau đó giải phóng nó dưới dạng hydro mà không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào. Nghiên cứu mới cho thấy, rào cản này cuối cùng đã được vượt qua.
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng hệ thống làm được điều đó, từ hai vật liệu rẻ tiền, có sẵn trên thị trường. Đầu tiên là graphitic carbon nitride, loại bột màu vàng có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và hoạt động như chất xúc tác quang.
Thứ hai là ammonium metatungstate, một cụm các nguyên tử vonfram và oxy, có thể nhận và giữ nhiều electron, giống như một viên pin sạc nhỏ. Quá trình này diễn ra trong nước với một lượng nhỏ methanol được thêm vào.
Methanol đóng vai trò quan trọng, bằng cách hấp thụ các “điện tích dương” được tạo ra khi ánh sáng chiếu vào carbon nitride. Điều này ngăn cản các electron nhanh chóng tái kết hợp và biến mất, cho phép chúng được lưu trữ thay vì bị mất đi.
Khi carbon nitride được chiếu sáng bằng ánh sáng xanh lam, nó tạo ra các cặp electron và lỗ trống. Các electron nhanh chóng nhảy vào các cụm vonfram gần đó.
Khi càng nhiều electron tích tụ, dung dịch sẽ thay đổi màu sắc rõ rệt từ vàng nhạt sang xanh đậm, dấu hiệu rõ ràng cho thấy các nguyên tử vonfram đang bị khử, từ trạng thái điện tích +6 xuống +5 và năng lượng mặt trời đang được lưu trữ về mặt hóa học.
Sự dịch chuyển này hiệu quả nhờ hai lý do chính. Thứ nhất, trong điều kiện axit, bề mặt của carbon nitride trở nên tích điện dương, trong khi các cụm vonfram tích điện âm. Các điện tích trái dấu hút nhau, kéo hai vật liệu lại gần nhau, cho phép electron di chuyển hiệu quả giữa chúng.
Thứ hai, mức năng lượng của chúng rất phù hợp, vì vậy các electron có thể di chuyển tự nhiên mà không cần lực đẩy từ bên ngoài. Trong số các vật liệu tương tự được thử nghiệm, hợp chất vonfram này cho thấy sự sắp xếp và hiệu suất tốt nhất.
Khi tắt đèn, năng lượng lưu trữ không biến mất. Để giải phóng năng lượng này, nhóm nghiên cứu chỉ cần thêm chất xúc tác bạch kim trên carbon vào dung dịch được làm tối. Bạch kim cung cấp các vị trí mà các electron lưu trữ có thể kết hợp với các proton từ nước để tạo thành khí hydro.
Bằng cách này, việc thu nhận ánh sáng mặt trời, lưu trữ năng lượng và sản xuất hydro được tách thành các bước khác nhau, thậm chí có thể diễn ra vào các thời điểm khác nhau. Sau một giờ tiếp xúc với ánh sáng, hệ thống sản xuất được 13,5 micromol hydro trong bóng tối.
Tốc độ sản xuất hydro cao nhất đạt 3.220 micromol/gram/giờ, mức cao nhất được ghi nhận đối với hệ thống quang xúc tác trong bóng tối. Các thử nghiệm ngoài trời dưới ánh sáng mặt trời thực tế cũng cho kết quả tốt, đạt 954 micromol/gram/giờ trong điều kiện tối, tất cả đều không cần bất kỳ nguồn điện nào.
Các phép đo tiên tiến xác nhận cách thức hoạt động của hệ thống. Các nghiên cứu về phát xạ ánh sáng cho thấy, các electron tồn tại lâu hơn vì chúng có nơi để di chuyển. Quang phổ học cũng tiết lộ các nguyên tử vonfram thu giữ electron dưới tác động của ánh sáng.
Nghiên cứu này chứng minh rằng năng lượng mặt trời có thể được thu giữ, lưu trữ, vận chuyển dưới dạng chất lỏng, sau đó chuyển đổi thành hydro, mà không cần bình chứa áp suất cao, nhiệt độ cực thấp hoặc điện năng.
Nếu các thí nghiệm trong tương lai chứng minh rằng, các electron được lưu trữ vẫn ổn định trong nhiều tuần thay vì vài giờ, phương pháp này có thể cho phép vận chuyển năng lượng mặt trời thu được ở các vùng nhiều ánh nắng đến các vùng tối hơn và chuyển thành nhiên liệu khi cần thiết.
Hy vọng các nghiên cứu trong tương lai sẽ giải quyết được gút mắc này và biến việc vận chuyển năng lượng mặt trời từ một ý tưởng đầy hứa hẹn thành một công nghệ khả thi trong thực tế. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
