Sử dụng ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro từ bã mía

Hydro (H₂) được coi là nhiên liệu thế hệ tiếp theo vì nó cháy sạch, không tạo ra khí nhà kính. Hơn nữa, nó có mật độ lưu trữ năng lượng cao, ước tính gấp 2,7 lần so với xăng. Tuy nhiên, phần lớn H₂ được tạo ra có nguồn gốc từ khí thiên nhiên, thải ra một lượng lớn khí carbon dioxide làm nóng hành tinh.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu từ Viện khoa học & công nghệ quốc gia Ulsan (UNIST) tạo ra hệ thống sản xuất H₂ bằng quang điện hóa (PEC) thân thiện với môi trường. Phương pháp này sử dụng sinh khối có nguồn gốc từ bã mía và điện cực quang silicon để tạo ra H₂ chỉ bằng ánh sáng mặt trời.

Trong hệ thống cải tiến này, ánh sáng mặt trời thúc đẩy một quá trình theo hai hướng.

Ở một điện cực đồng, furfural (một loại hóa chất có giá trị từ bã mía) bị oxy hóa để tạo ra hydro. Điều thú vị là phản ứng này cũng tạo ra axit furoic, một sản phẩm phụ có giá trị cao.

Đồng thời, nước được phân tách tại điện cực quang silicon còn lại, tạo ra hydro. Cơ chế sản xuất kép này là chìa khóa cho hiệu quả đáng kể của chúng.

Về mặt lý thuyết, cơ chế sản xuất kép này tăng gấp đôi tốc độ sản xuất H₂ so với các hệ thống PEC thông thường, với hiệu suất thực tế đạt 1,4 mmol/cm2 mỗi giờ, gần gấp 4 lần mục tiêu 0,36 mmol/cm2 mỗi giờ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, theo các nhà nghiên cứu.

Điều kỳ diệu đằng sau hiệu quả này nằm ở cách hệ thống quản lý năng lượng. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào điện cực quang silicon, nó sẽ tạo ra các electron. Quá trình sản xuất H₂ bắt đầu khi điện cực quang hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo ra các electron. Nhóm nghiên cứu cho biết silicon tinh thể là lý tưởng để sản xuất nhiều electron.

Tuy nhiên, có một thách thức. Điện áp tạo ra thường thấp, khiến việc sản xuất hydro trở nên khó khăn nếu không có nguồn điện bên ngoài. Nhóm nghiên cứu vượt qua thách thức này bằng cách đưa phản ứng oxy hóa furfural vào điện cực đối diện. Phản ứng này cân bằng điện áp của hệ thống.

Họ cũng bọc điện cực trong lớp lá niken và lớp kính bảo vệ để hệ thống có độ ổn định lâu dài trong chất điện phân. Điều thú vị là điện cực quang silicon của nhóm UNIST có "thiết kế chìm" giúp làm mát tự nhiên, dẫn đến toàn bộ hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.

Sự phát triển mới này đánh dấu bước tiến lớn, hướng tới nền kinh tế hydro bền vững bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời và sinh khối dồi dào. Phương pháp này có thể đưa các quốc gia đến gần hơn với việc sản xuất nhiên liệu hydro sạch hơn và rẻ hơn.

Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Communications.