Sản xuất hydro thương mại từ nước bằng âm cực quang bán dẫn hữu cơ

VietTimes – Các nhà khoa học Hàn Quốc chế tạo thành công âm cực quang bán dẫn hữu cơ để hỗ trợ quá trình sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời có độ ổn định cao, đáp ứng các yêu cầu thương mại.

Quy trình sản xuất hydro "tách nước quang điện hóa (PEC)". Ảnh SciTechDaily

Quy trình sản xuất hydro "tách nước quang điện hóa (PEC)". Ảnh SciTechDaily

Hydro đang được coi như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch do chỉ có các sản phẩm đốt cháy trung tính carbon (nước, điện và nhiệt) và được xem là nhiên liệu thế hệ tiếp theo.

Phương pháp sản xuất hydro sạch và bền vững là sử dụng quy trình tách nước bằng ánh sáng mặt trời. Quy trình được gọi là "tách nước quang điện hóa (PEC)" là cơ sở hoạt động của các tế bào quang điện hữu cơ. Điều làm cho phương pháp này trở nên hấp dẫn là:

1 - sản xuất hydro hàng loạt trong không gian hạn chế mà không cần hệ thống lưới điện.

2 - chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro hiệu quả cao.

Tuy nhiên, mặc dù có những ưu điểm như vậy, các vật liệu quang hoạt sử dụng trong PEC thông thường không có những đặc tính cần thiết cho môi trường thương mại. Trong công nghệ PEC, chất bán dẫn hữu cơ (OS) được coi là vật liệu quang điện cực tiềm năng để sản xuất hydro thương mại do hiệu suất cao và chi phí in 3D thấp. Nhưng nhược điểm là OS có độ ổn định hóa học kém và mật độ dòng quang thấp.

Nhóm các nhà khoa học do GS Sanghan Lee từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju, Hàn Quốc dẫn đầu trong một nghiên cứu gần đây đã giải quyết được vấn đề này. Công trình nghiên cứu mang tính đột phá này được giới thiệu trên trang bìa của Tạp chí Hóa học Vật liệu A, trong nghiên cứu, các nhà khoa học áp dụng một phương pháp bao bọc âm cực quang bán dẫn hữu cơ trong lá titan phủ hạt nano bạch kim, một kỹ thuật được gọi là "bao bọc lá kim loại", ngăn chặn tiếp xúc với dung dịch chất điện ly.

GS Lee giải thích: "Bao bọc lá kim loại là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để tạo ra các âm cực quang bán dẫn hữu cơ ổn định lâu dài vì kim loại cản trở sự xâm nhập các chất điện phân vào bán dẫn hữu cơ, tăng cường tính ổn định lâu dài của vật liệu, đã được chứng minh trong các nghiên cứu trước đây và các báo cáo khoa học khác về chất bán dẫn hữu cơ”.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một tế bào quang điện hữu cơ, trong đó âm cực quang bán dẫn hữu cơ được bao bọc bằng lá titan và các hạt nano bạch kim phân tán đều. Khi tiến hành thử nghiệm, âm cực quang bán dẫn hữu cơ cho thấy điện thế khởi động là 1 V so với điện cực hydro thuận nghịch (RHE), mật độ dòng quang là -12,3 mA/cm2 ở 0 V RHE . Đáng chú ý nhất, tế bào thể hiện độ ổn định trong hoạt động kỷ lục, giữ lại 95,4% dòng quang tối đa trong hơn 30 giờ mà không có bất kỳ sự suy giảm đáng kể nào trong bán dẫn hữu cơ. Nhóm cũng thử nghiệm module dưới ánh sáng mặt trời thực tế và có thể sản xuất hydro.

Sản xuất hydro thương mại từ nước bằng âm cực quang bán dẫn hữu cơ ảnh 1
Âm cực quang bán dẫn hữu cơ bao bọc lá titan phủ hạt bạch kim hiệu suất cao, ổn định để sản xuất hydro bền vững . Ảnh: Sanghan Lee từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju, Hàn Quốc

Module PEC có độ ổn định cao và hiệu quả được phát triển trong nghiên cứu này có thể cho phép sản xuất hydro quy mô lớn và mở đường cho những phát minh, sáng tạo xây dựng các trạm sản xuất khí hydro trong tương lai.

Giáo sư Lee nói: "Với nguy cơ ngày càng tăng của sự nóng lên toàn cầu, bắt buộc phải phát triển những nguồn năng lượng thân thiện với môi trường. Module PEC, được sáng tạo trong nghiên cứu của chúng tôi có thể lắp đặt trong các trạm sản xuất khí hydro, phù hợp với các yêu cầu thương mại hóa sản phẩm."

Theo Tech Xplore