Công nghệ tách nước bằng năng lượng mặt trời

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Rice (Hoa Kỳ) đã đưa ra một phương pháp mới, hiệu quả để thu năng lượng từ ánh nắng mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng sạch, tái tạo bằng cách tách các phân tử nước.

Công nghệ này dựa vào cấu hình của các hạt nano vàng được kích hoạt bằng ánh sáng để thu ánh nắng mặt trời và chuyển năng lượng mặt trời thành các điện tử bị kích thích mạnh được các nhà khoa học gọi là các "điện tử nóng".

Các điện tử nóng có khả năng thúc đẩy những phản ứng hóa học có ích, nhưng lại phân rã rất nhanh và các nhà khoa học đang nỗ lực khai thác năng lượng của chúng.

 Việc thu các điện tử năng lượng cao này trước khi chúng nguội đi có thể cho phép các nhà cung cấp năng lượng mặt trời tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng và đáp ứng mục tiêu quốc gia về giảm giá thành điện mặt trời.

Trong các hạt nano kích hoạt bằng ánh sáng, ánh sáng được thu và chuyển đổi thành plasmon, sóng điện tử giống như chất lưu chảy qua bề mặt kim loại của các hạt nano. Plasmon là trạng thái năng lượng cao tồn tại ngắn, nhưng các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice cũng như ở nhiều đơn vị khác đã tìm cách thu năng lượng plasmon và chuyển đổi nó thành nhiệt hoặc ánh sáng có ích. Các hạt nano plasmon còn là một trong những phương thức triển vọng nhất để khai thác năng lượng của các điện tử nóng và nhóm nghiên cứu của Đại học Rice đang hướng tới mục tiêu đó trong một số nghiên cứu gần đây.

Các nhà nghiên cứu đã thiết lập một hệ thống sử dụng năng lượng từ các điện tử nóng để tách các phân tử nước thành oxy và hydro - nguyên liệu của pin nhiên liệu, các thiết bị điện hóa sản xuất điện sạch và hiệu quả.

Để sử dụng các điện tử nóng, đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã tách chúng từ các “lỗ trống điện tử” tương ứng, trạng thái năng lượng thấp mà các điện tử nóng bỏ qua khi nhận được năng lượng plasmon. Lý do các điện tử nóng tồn tại trong thời gian ngắn là vì chúng có xu hướng giải phóng năng lượng mới và trở lại trạng thái năng lượng thấp. Cách duy nhất để tránh hiện tượng này là điều chỉnh hệ thống trong đó các điện tử nóng và lỗ trống điện tử nhanh chóng tách rời nhau. Phương pháp thông thường mà các kỹ sư điện áp dụng là đẩy các điện tử nóng đến hàng rào năng lượng đóng vai trò như van một chiều, nhưng phương pháp này không hiệu quả.

Hệ thống gồm 3 lớp vật liệu. Lớp dưới cùng là một tấm nhôm mỏng được phủ oxit niken trong suốt và được rắc các hạt nano vàng plasmon lên trên, đó là các đĩa hình bóng khúc côn cầu có đường kính khoảng 10-30 nm.

Khi ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào đĩa hoặc phản xạ từ nhôm, các đĩa chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành các điện tử nóng. Nhôm hút các lỗ trống điện tử và oxit niken cho phép chúng đi qua, đồng thời giữ các điện tử nóng ở lại trên các hạt nano vàng. Các nhà nghiên cứu đã cho phép các hạt nano vàng hoạt động như chất xúc tác để tách nước bằng cách đặt tấm vật liệu lên mặt phẳng và nhúng ngập nước. Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đo dòng quang điện để tách nước mà không đo trực tiếp khí hydro và oxy sinh ra từ hiện tượng phân tách.