'Lá nhân tạo' chạy bằng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro từ không khí

Các kỹ sư hóa học tại Đại học Bách khoa liên bang Thụy Sĩ (EPFL) vừa cho ra đời chiếc lá nhân tạo chạy bằng năng lượng mặt trời (NLMT). Thực chất, "chiếc lá" này là điện cực trong suốt, xốp và chạy bằng NLMT, có thể biến nước từ không khí ẩm thành nhiên liệu hydro.

Tạp chí Advanced Materials của Đức số ra đầu năm 2023 đăng tải nghiên cứu của các kỹ sư hóa ở EPFL, phát triển một điện cực trong suốt, xốp và dẫn điện chạy bằng năng lượng mặt trời, sử dụng luồng không khí ẩm đầu vào để tạo ra hydro (H2). Chất nền của điện cực là một mạng dạng lưới ba chiều gồm các sợi thủy tinh nỉ, bông thủy tinh, cơ bản là thạch anh. Các sợi oxit silic sau đó được hợp nhất với nhau ở nhiệt độ cao để tạo ra các tấm nỉ. Các tấm wafer ban đầu được phủ một màng mỏng oxit thiếc pha tạp flo trong suốt, sau đó là một màng mỏng chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời.

Các nhà khoa học ở EPFL đã lấy cảm hứng cho điện cực từ cách mà cây trồng có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng thông qua cách sử dụng carbon dioxide từ không khí “Lớp phủ các chất bán dẫn khác nhau trên các chất nền bao gồm Fe₂O₃ (lắng đọng bể hóa học), CuSCN và Cu₂O (lắng đọng điện cực) và polymer liên hợp (lớp phủ nhúng)”, nghiên cứu viết.

Thử nghiệm lá nhân tạo để sản xuất hydro từ không khí của EPFL.Nguồn ảnh: EPFL

Marina Caretti, tác giả chính của dự án cho hay, vì mỗi bước tương đối đơn giản và có thể mở rộng, nên nhóm đã triển khai và sử dụng các chất nền khuếch tán khí cho mục đích sản xuất hydro bằng NLMT. Dựa trên các vật liệu được sử dụng, hiệu suất chuyển đổi NLMT thành hydro tối đa theo lý thuyết của tấm wafer là 12%, trong khi các tế bào chất lỏng đã được chứng minh là có hiệu suất lên tới 19%.

EPFL đã hợp tác với Toyota Motor Europe kiểm tra khả năng của cathode quang dựa trên chất nền dẫn điện xốp trong suốt (TPCS) để tạo ra H₂ trong môi trường pha khí, sau đó chế tạo một tế bào nửa pha khí hai ngăn. Phía anode hoạt động trong chất điện phân lỏng có tính axit, trong khi đó cực electrode được lại được ép vào màng điện phân polymer (PEM) để tạo thành tổ hợp màng quang điện cực.

Công nghệ quang điện hóa (PEC) tạo ra hydro từ nước bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời và chất bán dẫn chuyên dụng được gọi là ‘vật liệu quang điện hóa’. Với phát minh này, tương lai các nhà khoa học sẽ cho ra đời một loại pin nhiên liệu quang hợp đầy đủ chức năng sử dụng điện cực mới.