Đột phá trong quang phân nước bằng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro

Việc đưa ra các chiến lược "đạt đỉnh carbon" và "trung tính carbon" đã giúp giảm lượng khí thải carbon, với hydro là một lựa chọn hấp dẫn làm nhiên liệu sạch. Mặt khác, hydro cũng cần thiết cho nhiều quá trình hóa học, chẳng hạn như sản xuất phân bón. Tuy nhiên, hydro hiện thu được chủ yếu thông qua quá trình chuyển đổi nước và khí đốt, một quá trình không chỉ tạo ra lượng khí thải carbon lớn mà còn tiêu thụ một lượng lớn năng lượng nhiệt.

Quá trình quang hợp tự nhiên (thực vật sử dụng ánh sáng mặt trời để lấy nguyên tử hydro từ nước) đã được biết rõ, nhưng liệu có kỹ thuật "quang hợp nhân tạo" để thu được hydro không? Sản xuất hydro xúc tác quang dựa trên quá trình thủy phân hoàn toàn là một công nghệ bền vững và thân thiện với môi trường, chỉ tiêu thụ ánh sáng mặt trời và nước và không tạo ra bất kỳ khí thải carbon nào, đó là lý do tại sao nó hiện đang thu hút rất nhiều sự chú ý. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro (STH) thấp của các THM xúc tác quang hiện tại đã hạn chế ứng dụng thực tế của chúng.

Với suy nghĩ này, nhóm của Giáo sư Yonezawa tại Đại học Michigan đã phát triển một chiến lược để đạt được hiệu suất STH lên đến 9,2% bằng cách sử dụng nước tinh khiết, ánh sáng mặt trời tập trung và chất xúc tác quang indium gallium nitride, mô phỏng các bước chính trong quá trình quang hợp tự nhiên. Các thí nghiệm ngoài trời cho thấy nó đại diện cho một bước tiến lớn của công nghệ, hiệu quả hơn gần 10 lần so với các thí nghiệm tách nước bằng năng lượng mặt trời tương đương. Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng sự phân hủy toàn bộ nước bằng quang xúc tác trên bề mặt InGaN/GaN không chỉ thúc đẩy phản ứng phân hủy nước thuận mà còn ức chế phản ứng tạo phức hydro-oxy ngược thông qua hiệu ứng nhiệt hồng ngoại được tạo ra bởi ánh sáng mặt trời tập trung cường độ cao, cho phép Các dây nano InGaN thể hiện hiệu quả phân hủy tổng nước bằng xúc tác quang cực cao. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature số mới nhất với tiêu đề "Solar-to-hydro effects of more 9 % in quang xúc tác tách nước".

Các nhà nghiên cứu đã đạt được hiệu suất STH cao là 9,2 phần trăm khi sử dụng nước tinh khiết, ánh sáng mặt trời tập trung và chất xúc tác quang indi gallium nitride. Thành công của chiến lược trong bài báo này bắt nguồn từ tác dụng tổng hợp của việc thúc đẩy quá trình tiến hóa hydro-oxy thuận và ức chế sự tái hợp hydro-oxy ngược, có thể đạt được bằng cách vận hành ở nhiệt độ phản ứng tối ưu (~70 độ C), trực tiếp bằng cách thu hoạch trước đó. lãng phí ánh sáng hồng ngoại từ ánh sáng mặt trời. Hơn nữa, chiến lược phụ thuộc vào nhiệt độ này cũng dẫn đến hiệu suất STH ~7% từ nước máy và nước biển có sẵn rộng rãi, và 6,2% trong hệ thống tách nước xúc tác quang lớn với công suất ánh sáng mặt trời tự nhiên là 25 7W. Nghiên cứu này cung cấp một cách tiếp cận thực tế để sản xuất hiệu quả nhiên liệu hydro từ ánh sáng mặt trời tự nhiên và nước, khắc phục nút cổ chai hiệu quả trong sản xuất hydro năng lượng mặt trời.