Lá nhân tạo phân tách H2O dưới ánh nắng mặt trời

Một nhóm nghiên cứu do giáo sư Daniel Nocera thuộc MIT dẫn đầu đã phát triển “lá nhân tạo”, thiết bị mô phỏng lá cây bằng cách dùng ánh nắng mặt trời phân tách nước thành hydro và oxy. Không cần dây dẫn bên ngoài hay mạch điều khiển, thiết bị có thể biến trực tiếp năng lượng ánh sáng thành nhiên liệu hóa học, sau đó lưu trữ để sử dụng khi cần. Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Science trong số ra ngày 30 tháng 9 năm 2011, mở ra hướng tiếp cận đáng chú ý cho công nghệ năng lượng sạch. Về hình dáng và nguyên lý, “lá nhân tạo” là một tấm bán dẫn silic mỏng, trong đó các tế bào năng lượng mặt trời tiếp nhận ánh sáng rồi tạo ra dòng điện ngay bên trong vật liệu. Dòng điện này kích hoạt những lớp xúc tác phủ trên hai mặt tấm silic, thúc đẩy các phản ứng tách phân tử H2O thành hai loại khí riêng biệt. Nhờ thiết kế tích hợp, toàn bộ quá trình diễn ra trực tiếp trong nước thông thường, không cần kết nối thiết bị với nguồn điện hoặc hệ thống điều khiển bên ngoài. Khi được đặt vào một thùng chứa nước và phơi dưới ánh nắng, thiết bị nhanh chóng tạo ra các dòng bong bóng khí nhìn thấy bằng mắt thường. Một mặt giải phóng bong bóng oxy, trong khi mặt còn lại tạo ra bong bóng hydro, giống như hai dòng sản phẩm tách biệt từ cùng một quá trình quang hóa. Nếu thùng chứa được chia thành hai ngăn bằng một rào cản phù hợp, người sử dụng có thể thu gom riêng từng loại khí để lưu trữ cho những mục đích năng lượng về sau. Hydro và oxy thu được không chỉ là sản phẩm cuối cùng của thí nghiệm, bởi chúng còn có thể quay lại cung cấp năng lượng thông qua pin nhiên liệu. Khi hai khí được đưa vào pin nhiên liệu, chúng kết hợp trở lại thành nước H2O, đồng thời tạo ra một dòng điện phục vụ các thiết bị khác. Cách vận hành này biến ánh sáng mặt trời thành dạng năng lượng hóa học có thể cất giữ, khác với điện mặt trời thông thường vốn cần hệ thống lưu trữ điện riêng. Cấu tạo của “lá nhân tạo” dựa chủ yếu trên những vật liệu tương đối rẻ, dễ tìm, gồm silic, coban và niken, đồng thời thiết bị hoạt động trong nước thông thường. Đặc điểm này giúp thiết kế tránh phụ thuộc vào các dung dịch ăn mòn, vốn từng xuất hiện trong nhiều nỗ lực phân tách nước bằng ánh sáng mặt trời. Thiết bị cũng hạn chế nhu cầu sử dụng những vật liệu hiếm và đắt tiền như bạch kim, yếu tố thường làm tăng chi phí và gây khó khăn cho khả năng ứng dụng rộng rãi. Một mặt của tấm silic được phủ lớp coban, đóng vai trò chất xúc tác hỗ trợ giải phóng oxy khỏi các phân tử nước trong điều kiện có ánh sáng. Vật liệu coban này thuộc hướng nghiên cứu từng được giáo sư Nocera cùng các đồng tác giả phát hiện vào năm 2008, khi tìm kiếm phương pháp tạo nhiên liệu từ ánh nắng. Mặt đối diện được phủ lớp hợp kim niken, molypđen và kẽm, đảm nhiệm phản ứng giải phóng hydro từ nước sau khi tấm silic hấp thụ năng lượng mặt trời. Cơ chế của thiết bị gợi liên tưởng rõ ràng đến lá cây, dù “lá nhân tạo” không thực hiện quang hợp theo cách sinh học và cũng không tạo ra đường hoặc sinh khối. Lá cây tự nhiên thu ánh sáng để thúc đẩy các phản ứng hóa học, còn tấm silic trong thiết bị thu ánh sáng rồi phối hợp với chất xúc tác để tạo hydro và oxy. Điểm quan trọng nằm ở khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng nhiên liệu, cho phép sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ngay cả khi ánh nắng không còn chiếu trực tiếp. Công trình có sự tham gia của giáo sư Daniel G. Nocera, chuyên nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sinh học và hóa học, cùng tiến sĩ Steven Reece và năm nhà nghiên cứu khác từ MIT và Sun Catalytix. Steven Reece là cựu sinh viên hiện làm việc tại Sun Catalytix, công ty do giáo sư Nocera sáng lập nhằm thương mại hóa các sáng kiến mới trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Dù còn cần tiếp tục phát triển trước khi phổ biến, “lá nhân tạo” đã cho thấy một thiết bị nhỏ, vật liệu quen thuộc và ánh nắng có thể phối hợp để tạo ra nhiên liệu sạch từ nước.