Làm sao để lưu giữ được năng lượng mặt trời để chúng ta có thể sử dụng nó bất kỳ lúc nào chúng ta muốn như ngày hay đêm, khi trời nắng hay trời mưa?
Tại viện EPFL (Escole Polytechnique Fédérale de Lausanne), một trong hai viện công nghệ lớn của Thụy Sỹ, các nhà khoa học đang phát triển công nghệ có thể chuyến hóa năng lượng ánh sáng thành nhiên liệu sạch. Phương pháp cơ bản là sử dụng chất xúc tác oxid kim loại như là oxid sắt để phân tách nước tạo khí H2. Kevin Sivula và các cộng sự có mục tiêu giảm giá thành của vật liệu với phương pháp chế tạo đơn giản, có hiệu quả kinh tế cao trong ứng dụng sản xuất khí hydro từ năng lượng mặt trời. Thiết bị được nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm, đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Mặc dù ý tưởng chuyến hóa năng lượng mặt trời sang khí H2 đã có từ lâu; các nhà khoa học đã và vẫn đáng nghiên cứu vấn đề này trong hơn bốn thập kỷ qua. Vào những năm 1990s, với nghiên cứu của Michaël Grätzel, viện EPFL đã gây ra một cuộc tranh luận. Cùng với các cộng sự ở đại học Geneva-Thụy Sỹ, Michaël đã phát minh ra pin mặt trời quang điện hóa (photoelectrochemical tandem cell (PEC)), một kỹ thuật cho phép sản xuất khí hydro trực tiếp từ nước. Các nghiên cứu đầu tiên này có nguyên tắc hoạt động kết hợp giữa pin mặt trời tẩm chất nhạy quang (dye-sensitized solar cell) – cũng được phát minh bởi Michael Gratzel – với một oxid bán dẫn.
Thiết bị này hoạt động hoàn toàn độc lập. Dưới tác động của năng lượng mặt trời lên chất bán dẫn, các electron sinh ra được sử dụng để bẻ gãy các liên kết trong phân tử nước phân tách nước thành O2 và H2. Trong dung dịch, thiết bị có hai lớp đều có hai chức năng khác nhau khi được kích thích bằng ánh sáng: một lớp chất bán dẫn oxid kim loại, có khả năng tạo phản ứng sinh ra khí O2; và một lớp có chất nhạy quang (dye-sensitized cell) có khả năng tạo ra khí H2.
Nhóm nghiên cứu này đã tập trung giải quyết vấn đề chính của PEC đó là giá thành. “một nhóm nghiên cứu ở Mỹ đã điều khiển để đạt tới hiệu suất ấn tượng là 12.4%”, Sivula nói, “về mặt lý thuyết hệ thống thì rất là ấn tượng và triển vọng, nhưng với phương pháp của họ thì để sản xuất 10 centimét vuông chi phí phải lên đến 10 nghìn USD”.
Vì thế các nhà khoa học (ở EPFL) đã giới hạn phạm vi của họ lúc bắt đầu chế tạo là chỉ sử dụng các vật liệu và kỹ thuật có sẵn. Đây là một nhiệm vụ không dễ, nhưng họ đã thực hiện được. “Vật liệu đắt tiền nhất trong thiết bị này là thủy tinh dẫn điện ITO” Sivula nói. Hiệu suất chuyển hóa thì vẫn còn thấp – khoảng từ 1.4% đến 3.6%, tùy thuộc vào mẫu. Nhưng kỹ thuật này có lợi thế rất lớn. “Với giá thành rẻ trên cở sở oxid sắt, chúng tôi hy vọng có thể đạt đến hiệu suất 10% trong một vài năm tới, và với giá thành 80$ trên một mét vuông. Với giá đó, chúng tôi sẽ cạnh tranh được với phương pháp sản xuất khí hydro truyền thống.”
Chất bán dẫn có vai trò tạo phản ứng sinh ra khí O2 là oxid sắt. Phần thứ nhất của thiết bị, oxid sắt có cấu trúc nano được tăng cường với oxid silicon, bao phủ với lớp oxid nhôm kích thước nano và oxid cobalt – các tác nhân này sẽ tối ưu tính chất điện hóa của vật liệu, nhưng đơn giản để ứng dụng. “chúng tôi cần phát triển phương pháp chế tạo dễ dàng, giống như để chế tạo bạn chỉ cần nhúng hay sơn”.
Phần thứ hai của thiết bị là hỗn hợp chất màu (dye) và TiO2 – thành phần cơ bản của pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cell). Lớp thứ hai này nhận electron từ lớp một và ánh sáng mặt trời để sinh ra electron đủ để phân ly nước tạo thành khí hydro.
Các kết quả được đăng trên tạp chí Nature Photonic cho thấy một sự đột phá trong nghiên cứu về tandem cell, do các tiến bộ gần đây trong nghiên cứu cả về oxid sắt và TiO2 tẩm chất màu nhạy quang, và cả hai công nghệ này cũng đang phát triển nhanh chóng. Sivula đoán là tandem cell sẽ có thể đạt được hiệu suất chuyển hóa 16% với oxid sắt, và giá thành vẫn thấp, điều này sẽ thu hút sự tiếp cận từ các nhà đầu tư. Với khả năng lưu giữ năng lượng mặt trời với giá thành thấp, hệ thống tandem cell của EPFL có thể sẽ làm tăng lợi thế của năng lượng mặt trời để đáp ứng nhu cầu nguồn năng lượng tái tạo cho tương lai.
Trần Thanh Nhân (apclab)
Nguồn: actu.epfl.ch
materialtoday.com
nature.com
spie.org
