Thiết bị lai mới có thể sử dụng
quang hợp nhân tạo để tách nước thành hydro và oxy và giữ một phần
năng lượng dôi dư dưới dạng điện năng (Ảnh: Sashkin7/Depositphotos)
Nhiều bước tiến lớn gần đây đã được thực hiện trong sản xuất hydro từ quá
trình quang hợp nhân tạo, cải thiện hiệu suất, giảm chi phí và phát triển
các hệ thống thông minh hơn để giúp nó hoạt động được như giàn khoan nổi
trên đại dương và thu hoạch hydro từ nước bên dưới.
Nhưng
bất chấp cải tiến, hiệu suất vẫn là vấn đề hiện hữu. Nhiều thiết bị quang hợp
nhân tạo chỉ có thể sử dụng ánh sáng mặt trời đập vào chúng với tỷ lệ duy
nhất một con số trong khi các hệ thống quang điện thông thường thường đạt
hiệu suất chuyển đổi 20% và đã được chứng minh có thể đạt tới 45%. Các nhà
khoa học trong nghiên cứu mới từ Phòng thí nghiệm Berkeley và Trung tâm chung
về quang hợp nhân tạo (JCAP) đổ lỗi cho các thành phần phi silic của thiết bị
tách nước làm giảm hiệu quả của silic.
“Nó
giống như liên tục chạy một chiếc xe hơi bằng số 1. Đây là năng lượng mà bạn
có thể thu hoạch được nhưng vì silic không hoạt động ở mức tối đa nên hầu hết
các electron bị kích thích trong silic không có nơi nào để đi, do đó, chúng mất
năng lượng trước khi chúng được sử dụng để làm công việc hữu ích”, tác giả chính
của nghiên cứu Gideon Segev cho biết.
Câu
trả lời có thể đơn giản đến ngạc nhiên - tại sao không tách những electron đó
ra? Để làm điều đó, các nhà nghiên cứu đã thêm một phần tiếp xúc điện thứ
hai vào mặt sau của thành phần silic trong thiết bị. Phần này tách dòng điện
được tạo ra bởi năng lượng của ánh sáng mặt trời, cho phép một phần dòng điện
phân tách nước thành hydro và oxy và một phần được giữ lại dưới dạng điện
năng. Họ đặt tên cho thiết bị mới là tế bào lai điện và quang điện hóa (HPEV).
Các
nhà nghiên cứu đã tính toán được rằng một thiết bị quang hợp nhân tạo thông
thường sử dụng silic và bismuth vanadate có hiệu suất là 6,8%. Để so sánh, một
tế bào HPEV được chế tạo bằng những thành phần tương tự này sẽ chuyển đổi thêm
13,4% năng lượng mặt trời thành điện năng. Cùng với 6,8% được sử dụng để sản
xuất hydro, tế bào sẽ đạt hiệu suất kết hợp là 20,2%.
Đầu
tiên các nhà nghiên cứu thử nghiệm thiết kế HPEV bằng cách chạy mô phỏng máy
tính trước khi xây dựng nguyên mẫu. Như dự đoán, thiết bị thực tế hoạt động
đúng như kỳ vọng. Nhóm nghiên cứu hiện đang có kế hoạch tiếp tục cải tiến
thiết bị cũng như tìm thêm các ứng dụng khác cho nó bao gồm giảm lượng khí
thải CO2.
LH
(New Atlas)