Phương pháp mới được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications là một bước tiến trong nỗ lực đẩy mạnh sử dụng hydro sạch như một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng năng lượng.
Ngay từ những năm 1970, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro. Tuy nhiên, việc thiếu vật liệu với sự kết hợp của các đặc tính cần thiết để thực hiện các phản ứng hóa học quan trọng một cách hiệu quả đã khiến nó không thể trở thành phương pháp chủ đạo.
"Bạn cần những vật liệu có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời và đồng thời không bị phân hủy trong khi phản ứng tách nước diễn ra", tác giả chính của nghiên cứu Edward Yu, Giáo sư từ Khoa Điện và Kỹ thuật Máy tính thuộc Đại học Texas-Austin của Mỹ, giải thích. "Tuy nhiên, vật liệu hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời có xu hướng không ổn định trong các điều kiện cần thiết cho phản ứng tách nước, trong khi vật liệu ổn định lại có xu hướng hấp thụ ánh sáng kém. Để giải quyết mâu thuẫn này, bạn phải kết hợp nhiều vật liệu - một vật liệu hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời, chẳng hạn như silicon và một vật liệu khác cung cấp độ ổn định tốt, chẳng hạn như silicon dioxide - vào cùng một thiết bị duy nhất".
Tuy nhiên, sự kết hợp lại tạo ra một thách thức khác, đó là các electron và lỗ thủng được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng mặt trời trong silicon phải có khả năng di chuyển dễ dàng qua lớp silicon dioxide. Điều này thường yêu cầu lớp silicon dioxide chỉ được dày không quá vài nanomet, làm giảm hiệu quả của nó trong việc bảo vệ chất hấp thụ silicon khỏi bị phân rã.
Mô phỏng thiết bị sử dụng ánh sáng mặt trời để tách oxy khỏi nước, tạo ra hydro. Ảnh: UT Austin.
Chìa khóa của phương pháp mới là nhờ một quy trình tạo ra các đường dẫn thông qua lớp silicon dioxide dày, có thể được thực hiện với chi phí thấp và quy mô sản xuất cao. Để đạt được điều đó, Yu và nhóm của ông đã sử dụng kỹ thuật lần đầu tiên được triển khai trong sản xuất chip điện tử bán dẫn. Bằng cách phủ lên lớp silicon dioxide một màng nhôm mỏng và sau đó nung nóng toàn bộ cấu trúc, các mảng "gai" nhôm có kích thước nano kết nối hoàn toàn với lớp silicon dioxide được hình thành. Tiếp theo, chúng có thể dễ dàng được thay thế bằng niken hoặc các vật liệu khác giúp xúc tác phản ứng tách nước.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, thiết bị có thể oxy hóa nước một cách hiệu quả để tách các phân tử oxy, đồng thời tạo ra hydro tại một điện cực riêng biệt và thể hiện sự ổn định vượt trội trong thời gian hoạt động kéo dài. Bởi vì các kỹ thuật trong nghiên cứu này thường được sử dụng trong sản xuất thiết bị điện tử bán dẫn, chúng dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất hàng loạt.
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời để thương mại hóa công nghệ. Trong tương lai, Yu cùng các cộng sự sẽ cải thiện hiệu quả tách oxy của quá trình bằng cách tăng tốc độ phản ứng.
Hầu hết hydro ngày nay được sản xuất thông qua quy trình đốt nóng hơi nước và khí methane, nhưng điều đó phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch và tạo ra khí thải carbon. Quy trình mới bởi vậy rất thân thiện với môi trường.