Một nhóm nghiên cứu do Đại học công nghệ Chalmers, Thụy Điển, dẫn đầu đã giới thiệu phương pháp mới sản xuất khí hydro mà không cần đến bạch kim khan hiếm, đắt tiền. Sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và các hạt nhựa nhỏ dẫn điện, các nhà nghiên cứu chỉ ra cách sản xuất hydro một cách hiệu quả, bền vững với chi phí thấp.
Một thách thức lớn khi sử dụng ánh sáng mặt trời và nước để sản xuất hydro là việc dùng bạch kim làm chất xúc tác phụ. Trữ lượng bạch kim trên Trái đất có hạn và việc khai thác kim loại này tiềm ẩn rủi ro đối với cả môi trường và sức khỏe con người. Hơn nữa, việc sản xuất bạch kim chỉ tập trung ở một số ít quốc gia trên thế giới.
Trong một nghiên cứu mới, công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ergang Wang tại Đại học công nghệ Chalmers dẫn đầu, trình bày cách sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất khí hydro một cách hiệu quả, không cần đến bạch kim. Công trình này được nhóm của Giáo sư Ergang Wang nghiên cứu trong nhiều năm qua.
Việc phát triển các chất xúc tác quang hiệu quả mà không cần đến bạch kim là ước mơ lâu dài trong lĩnh vực này. Theo nhà nghiên cứu Alexandre Holmes của Chalmers, quy trình này liên quan đến một lượng lớn hạt nhựa siêu nhỏ dẫn điện. Khi ngâm trong nước, các hạt này tương tác với cả ánh sáng mặt trời và môi trường xung quanh.
Chìa khóa của phương pháp mới nằm ở thiết kế vật liệu tiên tiến vào loại nhựa dẫn điện sử dụng trong quy trình này. Loại nhựa này, gọi là polymer liên hợp, hấp thụ ánh sáng hiệu quả, nhưng ít tương thích với nước. Bằng cách điều chỉnh các đặc tính vật liệu ở cấp độ phân tử, nhóm nghiên cứu làm cho vật liệu này tương thích với nước nhiều hơn.
Nhóm nghiên cứu cũng phát triển phương pháp để tạo hình nhựa thành các hạt nano, có thể tăng cường tương tác với nước, thúc đẩy quá trình chuyển hóa ánh sáng thành hydro. Theo Alexandre Holmes, sự cải thiện này đến từ các chuỗi polymer có tính ưa nước cao hơn, được sắp xếp lỏng lẻo hơn bên trong các hạt.
Trong lò phản ứng tại phòng thí nghiệm hóa học ở Chalmers, có thể dễ dàng quan sát bằng mắt thường các bọt khí hydro khi chúng hình thành, cho thấy quá trình xúc tác quang đang diễn ra hiệu quả. Khi chiếu đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời vào một cốc nước chứa các hạt nano, các bọt khí hydro gần như ngay lập tức bắt đầu hình thành và nổi lên trong nước.
Các bọt khí được thu thập, dẫn qua các ống đến bình chứa, lượng khí được tạo ra có thể theo dõi theo thời gian thực. Chỉ với một gram vật liệu polymer liên hợp, nhóm nghiên cứu có thể sản xuất 30 lít hydro trong một giờ. Bằng cách này, hydro sản xuất một cách hiệu quả, bền vững mà không cần đến bạch kim, hiệu suất thậm chí có thể vượt qua các hệ thống dựa trên bạch kim.
Bước tiến tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ là làm cho quy trình sản xuất hydro vận hành chỉ bằng ánh sáng mặt trời và nước, không cần hóa chất hỗ trợ nào. Hiện nay, họ dùng vitamin C, hoạt động như một chất chống oxy hóa hy sinh. Bằng cách cho đi các electron, nó ngăn chặn phản ứng bị đình trệ, điều này trong phòng thí nghiệm có thể cho thấy tỉ lệ sản xuất hydro cao.
Để hiện thực hóa việc sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời thực sự bền vững, Giáo sư Ergang Wang giải thích, mục tiêu là phải tách các phân tử nước thành hydro và oxy, chỉ với ánh sáng mặt trời và nước làm đầu vào. Trong đó, loại bỏ nhu cầu sử dụng bạch kim trong hệ thống là một bước quan trọng hướng tới sản xuất hydro bền vững.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu đang bắt đầu khám phá các vật liệu và chiến lược nhằm đạt được sự phân tách nước toàn diện mà không cần chất phụ gia. Điều đó sẽ cần thêm vài năm nữa, nhưng họ tin rằng mình đang đi đúng hướng, theo lời trưởng nhóm nghiên cứu Ergang Wang, giáo sư tại Khoa hóa học và kỹ thuật hóa học tại Đại học Chalmers.
