Một vật liệu mới, dựa trên copolymer, được các nhà nghiên cứu từ Đại học Ulm và Đại học Jena phát triển, có thể lưu trữ năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành hydro sau đó vài ngày, ngay cả trong bóng tối. Kết quả nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications.
Trong bối cảnh toàn cầu chuyển đổi dần khỏi nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia đang tăng cường phát triển các nhà máy điện mặt trời và điện gió quy mô lớn. Tuy nhiên, hydro là lựa chọn khả thi hơn cho các ứng dụng cần mật độ năng lượng cao hơn.
Hydro có thể đốt cháy, giống như nhiên liệu hóa thạch, nhưng chỉ tạo ra nước như sản phẩm phụ, đem đến giải pháp không carbon cho các ứng dụng tiêu thụ nhiều năng lượng như các phương tiện giao thông vận tải hạng nặng, thậm chí cả sản xuất điện.
Tuy nhiên, quá trình sản xuất hydro cũng có thể phát thải carbon. Các nhà máy hydro quy mô lớn sử dụng phương pháp xử lý metan để sản xuất hydro, vì cách này tiết kiệm chi phí. Để hydro trở thành chất thay thế lý tưởng cho nhiên liệu hóa thạch, nó phải được sản xuất bằng điện mặt trời hay điện gió, còn gọi là hydro xanh lá.
Hydro xanh lá có thể sản xuất từ ánh sáng mặt trời bằng quá trình quang xúc tác. Có nhiều công nghệ khác nhau chuyển đổi và lưu trữ năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học. Nhưng lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu phát triển vật liệu mới dựa trên copolymer, có thể lưu trữ năng lượng từ ánh sáng mặt trời trong vài ngày, sau đó giải phóng nó dưới dạng hydro.
Loại copolymer này hòa tan trong nước, có hoạt tính oxy hóa khử, được dùng làm vật liệu lưu trữ năng lượng hoặc electron tạm thời. Copolymer là các đại phân tử, gồm các khối cấu tạo hữu cơ khác nhau. Chúng tạo thành một khung ổn định, được trang bị các đơn vị chức năng có tính chất hóa lý nhất định, trong trường hợp này là hoạt tính oxy hóa khử được tăng cường.
Khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời, hệ thống này đạt hiệu suất sạc trên 80% và duy trì trạng thái tích điện trong vài ngày. Khi cần, có thể thu hồi năng lượng hóa học dưới dạng hydro, Giáo sư Ulrich S. Schubert, tại Đại học Friedrich Schiller Jena, người điều phối nghiên cứu cùng với Giáo sư Sven Rau, tại Đại học Ulm, cho biết.
Để thu hồi năng lượng, các nhà nghiên cứu thêm axit và chất xúc tác tạo khí hydro, các electron lưu trữ trong hệ thống polymer sẽ kết hợp với proton, từ đó giải phóng hydro. Ở giai đoạn này, hiệu suất của hệ thống đạt mức cao đến 72%. Một ưu điểm lớn khác là quá trình này cũng diễn ra trong bóng tối, tức là không phụ thuộc vào việc mặt trời có chiếu sáng hay không.
Pin dựa trên copolymer này có các phản ứng oxy hóa khử có thể đảo ngược. Vì vậy, khi pin hết điện, nó có thể đặt dưới ánh nắng mặt trời để sạc lại, tạo điều kiện cho nhiều chu kỳ sạc, lưu trữ, xúc tác. Lợi ích của quá trình này là polymer không cần phải phân lập trước. Để thiết lập lại hệ thống, các nhà nghiên cứu chỉ cần thay đổi giá trị pH của hệ thống.
Công tắc pH không chỉ có khía cạnh thực tiễn mà nó còn là chỉ báo về trạng thái tích điện của polymer. Khi pin xả (phóng điện), sự hiện diện của axit làm thay đổi màu sắc từ tím sang vàng. Khi đặt dưới ánh nắng mặt trời để sạc, hệ thống lại thay đổi màu sắc từ vàng sang tím, cho thấy pin tích trữ đủ điện năng để giải phóng hydro khi cần thiết.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, phương pháp sản xuất hydro theo yêu cầu như vậy có thể sử dụng cho các quy trình công nghiệp khác nhau tiêu tốn nhiều năng lượng, từ vận hành ô tô điện đến sản xuất thép hoặc tạo ra điện sạch theo yêu cầu, vốn phụ thuộc vào nguồn cung cấp hydro xanh lá đáng tin cậy.
