VINACHEM

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Osaka (Nhật Bản) đã phát triển thành công một loại vật liệu mới dựa trên vàng và phốt pho đen để sản xuất nhiên liệu hydro sạch bằng cách sử dụng toàn bộ dải quang phổ của ánh sáng Mặt Trời.

Biến đổi khí hậu và khủng hoảng năng lượng là dấu hiệu cho thấy con người đang rất cần những nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Trong số các nhiên liệu sạch với hàm lượng cacbon thấp nhất có thể kể đến hydro. Hydro có thể phản ứng với oxi để giải phóng năng lượng, trong khi đó chỉ tạo ra nước mà không sinh ra bất kỳ sản phẩm có hại nào. Tuy nhiên, hầu hết hydro trên Trái Đất đều được liên kết trong nước hoặc các phân tử khác nên không thể được sử dụng để cung cấp năng lượng.

Hydro có thể được tạo ra bằng cách tách nước, ngày nay quá trình này thường được thực hiện nhờ năng lượng Mặt Trời. Các vật liệu như TiO2 được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng hóa học thông qua phản ứng quang xúc tác. Tuy nhiên, các vật liệu này nhìn chung kém hiệu quả vì chúng chỉ hấp thụ tia tử ngoại (UV).

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Osaka đã phát triển một loại vật liệu mới có thể khai thác dải quang phổ rộng hơn của ánh sáng Mặt Trời. Ba thành phần composit của vật liệu mới làm tăng tối đa khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả tách nước. Lõi của vật liệu mới là một chất bán dẫn truyền thống - lantan titan oxit (LTO). Một phần bề mặt LTO được bọc các hạt nano vàng. LTO đã phủ vàng như vậy được trộn lẫn với các tấm phốt pho đen siêu mỏng để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng.

Phốt pho đen là vật liệu rất hữu ích cho các ứng dụng năng lượng Mặt Trời vì chúng ta có thể điều chỉnh tần số ánh sáng hấp thụ chỉ bằng cách thay đổi độ dày của vật liệu này. Nhờ kết hợp phốtpho đen, vật liệu mới của các nhà khoa học Osaka có thể hấp thụ được ánh sáng khả kiến và thậm chí cả bức xạ hồng ngoại gần, điều mà vật liệu LTO riêng rẽ không thể đạt được.

Khi hấp thụ năng lượng Mặt Trời, phốt pho đen được kích thích để giải phóng điện tử, sau đó các điện tử này được dẫn truyền đến các hạt nano vàng bọc trên LTO. Các hạt nano vàng cũng hấp thụ ánh sáng khả kiến, làm cho một số điện tử của nó bị bật ra. Sau đó, các điện tử tự do trong cả phốt pho đen và các hạt nano vàng được đưa vào chất bán dẫn LTO, tạo thành dòng điện để tách nước thành hydro.

Hiệu quả sản xuất hydro bằng cách sử dụng vật liệu mới như trên không chỉ được gia tăng nhờ khả năng hấp thụ dải quang phổ rộng hơn của ánh sáng Mặt Trời, mà còn nhờ hiệu quả truyền dẫn điện tử cao hơn do bề mặt giao diện độc đáo giữa hai lớp vật liệu mỏng là phốtpho đen và LTO. Kết quả là vật liệu mới hoạt động hiệu quả hơn 60 lần so với LTO nguyên chất.

Bằng cách sử dụng có hiệu quả năng lượng Mặt Trời để tạo ra nhiên liệu sạch, vật liệu mới của các nhà nghiên cứu Osaka có thể giúp làm sạch môi trường. Hơn nữa, họ hi vọng nghiên cứu này sẽ thúc đẩy những tiến bộ mới trong công nghệ quang xúc tác.

Phạm Huệ

Theo ScienceDaily, 6/2017