Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge vừa công bố kết quả thử nghiệm ngoài trời một hệ thống tấm phản ứng quang hóa quy mô 1 m², có khả năng chuyển chất thải hữu cơ - gồm cellulose và chai nhựa PET - thành khí hydro nhờ ánh sáng Mặt Trời. Nghiên cứu do Ariffin Bin Mohamad Annuar, Yongpeng Liu và các cộng sự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Erwin Reisner, công bố trên tạp chí Nature Chemical Engineering.

Vì sao chọn cách làm này

Nhu cầu hydro toàn cầu đã gần gấp đôi trong hai thập kỷ qua, nhưng phần lớn vẫn được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Tách nước bằng ánh sáng Mặt Trời là hướng thay thế đã biết đến từ lâu, nhưng đòi hỏi nhiều năng lượng do phản ứng oxy hóa nước diễn ra chậm và cần vượt qua rào cản năng lượng lớn. Nhóm nghiên cứu thay vào đó dùng chất thải hữu cơ - như cellulose từ sinh khối hay nhựa PET - làm chất cho electron, vì các chất này dễ bị oxy hóa hơn nước nhiều, đồng thời sinh ra thêm một số hợp chất hữu ích cho công nghiệp hóa chất trong quá trình phản ứng.

Cấu tạo tấm phản ứng

Tấm phản ứng gồm hai lớp phủ trên nền kính: một lớp hấp thụ ánh sáng làm từ bột stronti titanat pha nhôm (Al:SrTiO3) - vật liệu rẻ, bền, dễ chế tạo với quy mô lớn; và một lớp xúc tác mỏng chứa coban và zirconi phủ lên trên, đóng vai trò thúc đẩy phản ứng sinh khí hydro.

Điểm cải tiến chính nằm ở cách tạo ra lớp xúc tác coban. Trước đây, việc gắn loại xúc tác này lên bề mặt tấm phản ứng thường cần nhiệt độ cao hoặc chất kết dính polymer, cả hai đều khó áp dụng ở quy mô lớn. Nhóm nghiên cứu thay vào đó tổng hợp một hợp chất duy nhất chứa sẵn cả coban và zirconi theo tỷ lệ cố định (gọi là tiền chất đơn nguồn). Hợp chất này sau khi hòa tan trong dung môi có thể được phun trực tiếp lên bề mặt kính và để khô ở nhiệt độ phòng, tạo thành lớp phủ mỏng, trong suốt - không cản ánh sáng chiếu xuống lớp hấp thụ bên dưới như nhiều loại xúc tác kim loại quý khác.

Kết quả thử nghiệm ở các quy mô khác nhau

Nhóm nghiên cứu thử nghiệm tấm phản ứng ở nhiều quy mô: từ 1 cm² trong phòng thí nghiệm, đến 20,25 cm², rồi tới các tấm 0,25 m² ghép lại thành hệ thống 1 m² đặt ngoài trời. Ở quy mô nhỏ trong điều kiện ánh sáng mô phỏng, tấm phản ứng cho hiệu suất sinh hydro tốt nhất khi dùng glucose làm chất nền, và vẫn hoạt động khi dùng cellulose hoặc nhựa PET đã qua xử lý sơ bộ (cắt nhỏ và hòa tan trong dung dịch kiềm nóng).

Trong thử nghiệm ngoài trời tại Cambridge - nơi cường độ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên chỉ bằng khoảng một nửa so với thiết bị mô phỏng trong phòng thí nghiệm - hệ thống 1 m² vận hành liên tục 6 giờ, tạo ra khoảng 5,24 mmol hydro/m² khi dùng glucose và 1,51 mmol hydro/m² khi dùng cellulose đã xử lý, đồng thời sinh thêm các sản phẩm phụ có giá trị như format và acetat. Bề mặt thiết bị vẫn đạt trên 30°C dù thời tiết ngoài trời tương đối lạnh, và hiện tượng tạo bọt khí được quan sát trong suốt quá trình vận hành.

Vấn đề rò rỉ xúc tác và khả năng tái sử dụng

Sau khoảng 22 giờ vận hành, nhóm nghiên cứu ghi nhận khoảng 60% lượng coban trong lớp xúc tác đã bị hòa tan ra khỏi tấm phản ứng. Tuy nhiên, khi phun bổ sung một lớp xúc tác coban mới lên tấm cũ, hiệu suất sinh hydro từ glucose được khôi phục hoàn toàn, cho thấy lớp hấp thụ ánh sáng bên dưới vẫn có thể tái sử dụng nhiều lần. Với cellulose, hiệu suất chỉ được khôi phục một phần, do các mảnh phân tử còn sót lại từ quá trình xử lý cellulose bám vào bề mặt xúc tác, làm giảm hoạt tính.

Phân tích chi phí kinh tế - kỹ thuật

Dựa trên số liệu thực nghiệm từ hệ thống 1 m², nhóm nghiên cứu tính toán chi phí sản xuất hydro theo phương pháp này. Kết quả cho thấy chi phí vẫn cao hơn hydro sản xuất theo cách truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch, và cũng cao hơn một số ước tính lý thuyết trước đây - do các ước tính cũ thường dựa trên giả định hiệu suất lý tưởng, cao hơn nhiều so với thực tế đo được. Nhóm nghiên cứu cho biết chi phí có thể giảm đáng kể nếu triển khai ở quy mô lớn hơn, tái sử dụng tấm phản ứng nhiều lần, và tính thêm giá trị của các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình phản ứng - những yếu tố hiện chưa được đưa vào tính toán ban đầu.

Hạn chế và hướng phát triển tiếp theo

Lớp bán dẫn hiện tại chỉ hấp thụ được tia cực tím, vốn chỉ chiếm khoảng 5% phổ ánh sáng Mặt Trời, nên phần lớn năng lượng Mặt Trời chưa được tận dụng. Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu phát triển vật liệu hấp thụ được cả ánh sáng khả kiến, xây dựng hệ thống vận hành theo dòng chảy liên tục thay vì phải nạp lại dung dịch sau mỗi lần chạy, đồng thời cải tiến xúc tác để giảm số loại sản phẩm phụ sinh ra, giúp đơn giản hóa việc tách lọc sản phẩm sau phản ứng.

Nhìn chung, nghiên cứu cho thấy phương pháp tổng hợp xúc tác từ tiền chất đơn nguồn kết hợp kỹ thuật phun phủ có thể mở ra hướng chế tạo tấm phản ứng quang hóa quy mô lớn mà không cần dùng kim loại quý hay xử lý nhiệt độ cao, là bước tiến hướng tới việc triển khai công nghệ này trong thực tế.

Nguồn: Annuar, A.B.M., Liu, Y., Bhattacharjee, S. et al. Photoreforming of solid waste on 1 m² scale using single-source precursor-derived co-catalyst films. Nature Chemical Engineering 3, 351–362 (2026).