Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm khoa học nano về công nghệ năng lượng (LNET) thuộc Viện công nghệ Lausanne Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) vừa chế tạo một thiết bị nano, sử dụng ánh sáng và nhiệt, để tạo ra dòng điện ổn định bằng cách làm bay hơi nước mặn.
Nghiên cứu này độc đáo, vì nhiệt và ánh sáng không chỉ được sử dụng để tạo thuận lợi cho quá trình bay hơi nước mà còn để kiểm soát dòng chảy của các ion trong nước mặn và dòng chảy của các electron trong thiết bị nano.
Công nghệ hydrovoltaic (HV) là công nghệ mới nổi, tạo ra điện năng bằng cách tận dụng sự tương tác giữa nước với các vật liệu chức năng. Khác với thủy điện truyền thống, sử dụng nước chảy qua đập để vận hành turbine, hiệu ứng HV áp dụng các hiện tượng vật lý và hóa học ở quy mô nhỏ để tạo ra điện năng.
Năm 2024, các nhà nghiên cứu tại LNET đã báo cáo việc chế tạo một thiết bị HV ở cấp độ nano, sử dụng các trụ nano silicon. Hai năm sau, thiết bị này có thể tạo ra công suất vượt trội so với các công nghệ tương tự, nó cũng có thể kiểm soát dòng chảy của các ion và electron ở bên trong.
Chúng ta đều biết tác động của nhiệt đối với bay hơi nước, việc cung cấp thêm nhiệt cho nước sẽ làm tăng tốc độ bay hơi. Các nhà khoa học nghiên cứu về hiệu ứng HV cũng sử dụng điều này để tăng tốc độ tạo ra điện năng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư Giulia Tagliabue tại LNET, dẫn đầu, cũng nhận ra vai trò của ánh sáng trong quá trình này.
Thiết bị nano được các nhà nghiên cứu sử dụng được làm từ silicon. Là một chất bán dẫn, các electron của thiết bị được kích thích bởi các photon từ nguồn sáng, trong khi nhiệt độ làm tăng điện tích bề mặt của nó lên giá trị âm.
Thiết bị này có ba lớp riêng biệt, mỗi lớp dành cho sự bay hơi, vận chuyển ion và thu thập điện tích. Sự bay hơi do nhiệt trong lớp nước muối cũng làm cho các ion dịch chuyển, tạo ra sự phân tách giữa điện tích dương và âm. Sự phân tách điện tích này tại giao diện rắn-lỏng tạo ra điện trường, sinh ra điện trong mạch.
Nghiên cứu của nhóm cho thấy, nhờ hiệu ứng điện tích bề mặt này, việc bổ sung ánh sáng mặt trời và nhiệt có thể tăng sản lượng điện năng lên gấp 5 lần, theo Phó giáo sư Tagliabue. Hiệu ứng tự nhiên này luôn tồn tại, nhưng nhóm nghiên cứu tại LNET là những người đầu tiên khai thác được nó.
Sản lượng được cải thiện nhờ khai thác hiệu ứng này thể hiện rõ ở điện áp 1 V và mật độ công suất 0,25 W/m2 ấn tượng của thiết bị. Thiết kế thiết bị ba lớp cũng giúp các nhà nghiên cứu phát triển mô hình cho các nghiên cứu của họ và tiếp tục nâng cao sản lượng bằng cách điều chỉnh nồng độ muối và cấu trúc trụ nano.
Nhóm nghiên cứu cũng giải quyết một nhược điểm lớn mà thiết bị HV thường gặp phải với nước mặn. Các nỗ lực cải thiện hiệu suất thiết bị thông qua nhiệt và ánh sáng thường dẫn đến sự xuống cấp vật liệu. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu sử dụng lớp phủ oxit trên các trụ nano để ngăn các phản ứng hóa học không mong muốn với nước mặn mà vẫn duy trì hiệu suất ổn định.
Các nhà nghiên cứu hy vọng công trình của họ sẽ giúp thúc đẩy phát triển các thiết bị HV, cung cấp năng lượng cho các thiết bị không cần pin, bằng cách sử dụng nước, nhiệt và ánh sáng mặt trời. Điều này có thể giúp chế tạo các thiết bị từ thiết bị đeo thông minh đến cảm biến môi trường và nhiều hơn nữa. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.
