Bước đột phá trong công cuộc khai thác năng lượng mặt trời

Giáo sư Daniel Nocera ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển được một chất xúc tác có khả năng tạo ra oxy từ nước nhờ phân tách các phân tử nước, đồng thời giải phóng các ion hydro để tạo ra khí hydro. Chất xúc tác này, vì dễ sản xuất và giá thành rất rẻ, nên có thể được dùng để sản xuất ra một lượng lớn khí hydro, trên cơ sở sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn cung cấp năng lượng cho phản ứng. Lượng hydro này có thể được dùng làm chất đốt, hoặc để sản xuất điện năng.

Điện mặt trời có nhược điểm là các pin mặt trời chỉ tạo ra sản lượng điện cao nhất trong vài giờ mỗi ngày. Một giải pháp đã được đề xuất là sử dụng ánh sáng để phân tách nước, nhờ đó lưu trữ năng lượng mặt trời ở dạng khí hydro, nhưng nó không thực tế, vì phản ứng này cần quá nhiều năng lượng, hơn nữa các chất xúc tác thích hợp lại quá đắt tiền hoặc phải sử dụng những vật liệu cực kỳ hiếm. Chất xúc tác của Nocera đã dọn đường để đến với những công nghệ phân tách nước có giá rẻ. Phát minh này là một bước đột phá. Đối với điện mặt trời, có lẽ nó là một phát minh quan trọng duy nhất của thế kỷ - Karten Meyer, Giáo sư ở Trường Đại học Friedrich Alexander (Đức), nhận xét.

Trước đây, các nhà nghiên cứu (kể cả Nocera), đều đã hết sức cố gắng để tạo ra các chất xúc tác phân tử, trong đó, vị trí của mỗi phân tử đã được biết chính xác và chất xúc tác được tạo ra để hoạt động với thời gian lâu nhất có thể được. Trái lại, chất xúc tác mới lại là chất vô định hình - nó không có một cấu trúc ổn định và bị phân hủy khi hoạt động, nhưng lại có khả năng tái tạo liên tục, vì vậy nó hoạt động không ngừng.

Trong hệ thống thử nghiệm, Nocera đã nhúng một điện cực indi thiếc oxit vào dung dịch của nước với cobalt và kali photphat. Ông đặt một điện thế lên điện cực, làm cho cobalt, kali photphat tụ lại ở điện cực đó, tạo ra chất xúc tác. Xúc tác này oxy hóa nước để tạo thành khí oxy và giải phóng ion hydro. Ở điện cực khác, được phủ platin, các ion hydro tạo thành khí hydro. Trong quá trình hoạt động, xúc tác cobalt bị phân giải, nhưng cobalt và kali photphat trong dung dịch nhanh chóng được tái tạo trên điện cực, giúp phục hồi chất xúc tác.

Nocera đã tạo ra chất xúc tác này trong chương trình nghiên cứu nhằm tạo ra quang hợp nhân tạo có hiệu suất cao hơn và sản sinh ra những nhiên liệu hữu ích (chẳng hạn như hydro). Ông đã giải quyết được một trong những khâu thách thức nhất của quang hợp nhân tạo: Sản xuất oxy từ nước, nhưng vẫn còn hai khâu nữa cần giải quyết:

Một là, thay thế xúc tác platin đắt tiền để tạo ra khí hydro từ các ion hydro bằng một chất xúc tác kim loại rẻ hơn và sẵn hơn.Việc tìm ra một xúc tác rẻ hơn để tạo ra khí hydro từ ion không phải là quá khó - John Turne, nghiên cứu viên chính ở Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia tại Golden, cho biết. Quả thực như vậy, Nocera cho biết, ông đã có những vật liệu mới hứa hẹn sẽ thực hiện tốt công việc đó, trong khi các nhà nghiên cứu khác cũng đề ra những phương án khả dĩ.

dĩ.Khâu này sẽ giúp chất xúc tác của Nocera vận hành trực tiếp với ánh sáng mặt trời (hiện tại, nó phải vận hành bằng dòng điện đưa từ ngoài vào).

Vẫn còn nhiều công việc kỹ thuật cần phải thực hiện trước khi chất xúc tác của Nocera có thể được kết hợp vào các thiết bị thương mại (ví dụ sẽ phải tăng tốc độ sản xuất oxy của xúc tác). Nocera tin chắc rằng, các vấn đề kỹ thuật đó có thể giải quyết được một cách nhanh chóng, vì chất xúc tác rất dễ sản xuất, giúp cho nhiều nhà nghiên cứu có thể bắt tay ngay vào việc. Ưu điểm của hệ thống này là rất đơn giản, khiến cho nhiều người có thể lao vào cuộc ngay lập tức và hệ thống sẽ nhanh chóng trở nên hoàn thiện - Thomas Moore, Giáo sư hóa chất và sinh hóa ở Trường Đại học Arizona (Mỹ) cho biết.

Theo Turne, phát minh của Nocera có thể đóng vai trò trong các thiết bị sản xuất hydro quy mô lớn trong tương lai, có nhiệm vụ thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời ở trên những cánh đồng rộng và cho dòng điện chạy qua nước để sản sinh ra một lượng khí hydro khổng lồ giúp đáp ứng nhu cầu cho các xe ô tô chạy bằng nhiên liệu hydro trong tương lai.

Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề đặt ra, đó là phải dùng nhiều xúc tác plantin ở các pin nhiên liệu - thiết bị dùng để kết hợp H2 và O2 trở lại thành nước để tạo ra dòng điện. Nhà hóa học Bjorn Winther-Jensen ở Trường Đại học Monash (Úc) và các cộng sự đã tìm cách giải quyết bằng cách phát triển những điện cực mới cho pin nhiên liệu từ các polyme dẫn điện đặc biệt, với giá 57 USD/ounce (so với giá của platin là 1.700-2.000 USD). Trong các lần thí nghiệm, polyme này đã chứng tỏ là hiệu quả ngang bằng với platin trong việc sản xuất ra điện, và thành tựu này có thể được đem ứng dụng ngay cho các pin nhiên liệu mini (như những bộ pin đang được thiết kế để chạy máy tính).

Để chất xúc tác này hoạt động được ở quy mô lớn phục vụ cho các ô tô hoặc nhà máy điện cần phải phát triển được cấu trúc 3 chiều để có được các điện cực dày hơn và mật độ dòng điện lớn hơn - Winther-Jensen nói. Dẫu sao, nhờ giảm được lượng platin, 2 công trình trên đã giúp mở đường để chinh phục nguồn năng lượng mặt trời vô tận này trong tương lai.