Peng Zhou sử dụng một thấu kính lớn để tập trung ánh sáng mặt trời vào chất xúc tác tách nước. Ảnh: Brenda Ahearn/Đại học Michigan
Nhóm chuyên gia tại Đại học Michigan phát triển thiết bị năng lượng mặt trời mới đạt hiệu suất lên tới 9% trong việc chuyển đổi nước thành hydro thông qua quá trình quang hợp nhân tạo. Đây là một bước nhảy vọt công nghệ, hiệu quả gấp gần 10 lần các thí nghiệm tách nước bằng năng lượng mặt trời cùng loại.
Lợi ích lớn nhất của công nghệ mới là giảm chi phí sản xuất hydro bền vững. Nhóm nghiên cứu đạt được điều này bằng cách thu nhỏ chất bán dẫn, thường là phần đắt nhất của thiết bị. Chất bán dẫn tự phục hồi của nhóm chịu được ánh sáng tập trung tương đương với 160 mặt trời. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Nature hôm 4/1.
Nhóm nhà khoa học thu được kết quả nổi bật nhờ hai bước tiến. Thứ nhất là khả năng tập trung ánh sáng mặt trời mà không phá hủy chất bán dẫn. "Chúng tôi đã giảm kích thước của chất bán dẫn hơn 100 lần so với một số loại chất bán dẫn chỉ hoạt động ở cường độ ánh sáng thấp. Hydro sản xuất bằng công nghệ của chúng tôi có thể rất rẻ", Peng Zhou, nhà nghiên cứu kỹ thuật máy tính và điện tại Đại học Michigan, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết.
Bước tiến thứ hai là sử dụng cả phần năng lượng cao hơn của quang phổ mặt trời để tách nước và phần năng lượng thấp hơn để cung cấp nhiệt thúc đẩy phản ứng. Điều này xảy ra nhờ chất xúc tác bán dẫn tự phục hồi khi sử dụng, không xuống cấp như nhiều chất xúc tác khác trong lúc khai thác ánh sáng mặt trời.
Ngoài việc chịu được cường độ ánh sáng cao, thiết bị mới cũng hoạt động tốt kể cả ở mức nhiệt cao thường gây hại cho chất bán dẫn trong máy tính. Nhiệt độ cao giúp tăng tốc quá trình tách nước, đồng thời duy trì sự chia tách giữa hydro và oxy thay vì tạo ra liên kết mới và trở thành nước một lần nữa. Cả hai điều này đã giúp nhóm nghiên cứu thu hoạch nhiều hydro hơn.
Trong thử nghiệm ngoài trời, Zhou chế tạo một thấu kính lớn bằng cửa sổ nhà để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một tấm bảng thí nghiệm chỉ rộng vài cm. Trên bảng, chất xúc tác bán dẫn được bao phủ bởi một lớp nước sủi bọt khi khí hydro và oxy tách ra.
Một lớp cách nhiệt đơn giản phía trên tấm bảng duy trì nhiệt độ ở mức 75 độ C, đủ nóng để thúc đẩy phản ứng và cũng đủ mát để chất xúc tác bán dẫn hoạt động tốt. Thiết bị thử nghiệm ngoài trời với ánh sáng và nhiệt độ kém ổn định, đạt hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành nhiên liệu hydro là 6,1%. Trong nhà, thiết bị đạt hiệu suất lên tới 9%.
Nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục nâng cao hiệu quả và thu được hydro có độ tinh khiết cực cao, có thể trực tiếp cung cấp cho pin nhiên liệu.
Thu Thảo (Theo Science Daily)