Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang đã chế tạo một chiếc lá nhân tạo chạy bằng năng lượng mặt trời, có khả năng sản xuất hydro từ nước biển đồng thời phân hủy hydrazine, một chất ô nhiễm độc hại có trong nước thải công nghiệp.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) ở Singapore đã giới thiệu một chiếc lá nhân tạo có khả năng tạo ra hydro từ nước biển chỉ bằng ánh sáng mặt trời. Thiết bị này cũng phân hủy hydrazine, một hóa chất cực độc có trong một số nước thải công nghiệp. Vì vậy, nó giải quyết được vấn đề sản xuất nhiên liệu sạch và làm sạch ô nhiễm chỉ trong một bước.
Các nhà nghiên cứu đã công bố công trình này trên tạp chí Nature Communications . Giáo sư Lydia H. Wong thuộc Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) là người đứng đầu nhóm nghiên cứu.
Vì sao nước biển lại cứng
Hầu hết các máy điện phân đều tách nước ngọt đã được tinh chế. Nước biển thì dồi dào hơn nhiều, nhưng muối trong đó lại gây ra vấn đề. Khi dòng điện chạy qua, các ion clorua có xu hướng tạo thành các hợp chất clo có tính ăn mòn và độc hại.
Các hợp chất đó ăn mòn điện cực và tạo ra vấn đề chất thải riêng. Do đó, việc sản xuất hydro từ nước biển thường cần phải khử muối tốn kém trước, hoặc cần các điện cực có khả năng chống ăn mòn.
Nguồn cung cấp nước ngọt hiện đang là mối lo ngại đối với các trung tâm hydro dự kiến xây dựng ở các vùng ven biển khô hạn, bao gồm một số khu vực của Úc, Trung Đông và Bắc Phi. Việc sử dụng trực tiếp nước biển sẽ giảm bớt áp lực này. Điều này cũng phù hợp với các quốc đảo như Singapore, nơi có chiến lược hydro quốc gia nhưng nguồn nước ngọt lại hạn chế.
Thiết kế của NTU đã giải quyết được phần lớn vấn đề này. Nhóm nghiên cứu đã trang bị cho cực dương một chất xúc tác có khả năng phân hủy hydrazine thành hydro và nitơ. Đồng thời, phản ứng này cũng ngăn chặn sự hình thành các hợp chất clo.
Một catốt perovskite
Ở phía bên kia của thiết bị, các nhà nghiên cứu đã chế tạo cực âm từ vật liệu perovskite chì halide. Những vật liệu tinh thể này hấp thụ ánh sáng tốt và chuyển hóa nó thành điện năng với chi phí thấp. Chúng đã thu hút sự quan tâm rất lớn trong nghiên cứu năng lượng mặt trời trong thập kỷ qua. Các nhà sản xuất cũng có thể xử lý chúng từ dung dịch ở nhiệt độ thấp, giúp giảm chi phí.
Tại đây, catốt quang perovskite đạt mật độ dòng quang điện là 25 miliampe trên mỗi centimet vuông. Mật độ dòng quang điện đo lượng dòng điện mà thiết bị tạo ra trên mỗi diện tích được chiếu sáng. Nhóm nghiên cứu cho biết con số này là một trong những con số cao nhất được ghi nhận đối với catốt perovskite gốc chì.
Thiết bị này cũng duy trì đầu ra ổn định trong hơn 72 giờ dưới ánh sáng tương đương với ánh sáng mặt trời đầy đủ vào một ngày trời quang đãng. Đồng thời, nó sản xuất hydro với tốc độ tương đương với các thiết bị năng lượng mặt trời tương tự.
Làm sạch nước trong quá trình hoạt động
Vì chiếc lá hoạt động mà không cần điện áp bên ngoài, nên nó tự cấp năng lượng. Nói một cách đơn giản, chỉ ánh sáng mặt trời mới thúc đẩy cả hai phản ứng, không cần lấy điện từ lưới điện hay pin. Trong các thử nghiệm, nó đã phân hủy hydrazine xuống dưới một phần tỷ trong khoảng 30 giờ. Trên thực tế, thiết bị đã loại bỏ gần như toàn bộ chất gây ô nhiễm khỏi dung dịch thử nghiệm.
Hydrazine được sử dụng trong các quy trình công nghiệp, bao gồm sản xuất hóa chất, và làm nhiên liệu đẩy tên lửa. Nó độc hại đối với con người và sinh vật thủy sinh, vì vậy nước thải chứa nó cần được xử lý cẩn thận. Một thiết bị loại bỏ nó trong quá trình sản xuất nhiên liệu có thể biến chi phí xử lý thành một nguồn giá trị nhỏ.
Các nhà nghiên cứu đằng sau sự đổi mới. Từ trái sang: Tiến sĩ Stener Lie, Tiến sĩ Anupam Sadhu, Giáo sư Lydia H. Wong và Tiến sĩ Hao Zhe Chun của Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu NTU. Nguồn: NTU Singapore
Những trở ngại trước khi mở rộng quy mô
Kết quả này chỉ đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, và vẫn còn nhiều câu hỏi lớn chưa được giải đáp. Vật liệu perovskite có một điểm yếu đã được biết đến: chúng bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng trong thời gian dài. Ba ngày hoạt động ổn định là một kết quả khả quan đối với loại vật liệu này, mặc dù các hệ thống thương mại cần phải hoạt động trong nhiều năm.
Việc sử dụng chì cũng đặt ra nhiều câu hỏi đối với bất kỳ thiết bị nào được thiết kế để đặt trong nước. Các kỹ sư cần phải chứng minh rằng vật liệu này vẫn được bịt kín trong thời gian dài. Ngoài ra, việc mở rộng quy mô các tế bào thí nghiệm nhỏ thành các tấm pin lớn thường làm giảm hiệu suất.
Tuy nhiên, công trình này bổ sung vào một loạt các phương pháp đang phát triển để sản xuất hydro trực tiếp bằng năng lượng mặt trời, bao gồm cả các vật liệu năng lượng mặt trời nhiều lớp giúp tăng tốc độ phân tách nước . Đối với các khu công nghiệp ven biển, việc sản xuất hydro từ nước biển đồng thời xử lý nước ô nhiễm là một sự kết hợp hấp dẫn. Bước tiếp theo là chứng minh rằng khái niệm này có thể hoạt động được trong điều kiện thực tế bên ngoài phòng thí nghiệm.
