Triển vọng mới cho sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo

19/03/2014

Một nghiên cứu mới của các nhà nghên cứu Trung tâm Quang hợp nhân tạo (JCAP) cho thấy gần 90 phần trăm điện tử được tạo ra bởi một vật liệu lai được thiết kế để lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng hydro đang được lưu trữ dưới dạng các phân tử hydro mục tiêu.

Việc ghép chất bán dẫn photphua gallium với chất xúc tác cobaloxime tạo ra một cathode quang rẻ tiền để các lá phỏng sinh học sản xuất nhiên liệu năng lượng chỉ từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide.

Gary Moore, một nhà hóa học và nghiên cứu viên trưởng ở Phòng thí nghiệm Berkeley, đứng đầu một nghiên cứu phân tích hiệu quả của một loại vật liệu cathode quang (photocathode) độc đáo được ông và nhóm nghiên cứu phát triển làm xúc tác sản xuất nhiên liệu hydro từ ánh nắng mặt trời. Vật liệu này, lai ghép từ việc ghép bán dẫn photphua gallium chất xúc tác cobaloxime sản xuất hydro phân tử, có khả năng giải quyết một trong những thách thức lớn trong việc sử dụng quang hợp nhân tạo để sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời tái tạo.

"Vấn đề cuối cùng của năng lượng tái tạo là việc lưu trữ", Moore nói. "Với ánh sáng mặt trời, chúng ta cần một cách để sử dụng suốt cả đêm. Lưu trữ năng lượng mặt trời trong các liên kết hóa học của nhiên liệu cũng cung cấp mật độ công suất lớn cần thiết cho các hệ thống giao thông hiện đại. Chúng tôi đã chứng minh rằng cách tiếp cận ghép sự hấp thụ ánh sáng khả kiến với sản xuất hydro trong một vật liệu đặt các điện tử kích thích quang ở nơi chúng cần, được giữ trong các liên kết hóa học".

Lá phỏng sinh học sản xuất nhiên liệu có mật độ năng lượng cao chỉ từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide làm nóng khí quyển, không có sản phẩm phụ nào ngoài oxy, là một sự thay thế năng lượng bền vững lý tưởng cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, hiện thực hóa sự quang hợp nhân tạo lý tưởng này đòi hỏi một số đột phá công nghệ bao gồm cả các cathode quang hiệu suất cao có thể xúc tác cho sản xuất nhiên liệu chỉ từ ánh sáng mặt trời.

Năm ngoái, Moore và nhóm nghiên cứu của ông đã có một bước tiến quan trọng hướng tới mục tiêu cathode quang với vật liệu lai ghép gallium nitride/cobaloxime. Gallium nitride là một chất hấp thụ ánh sáng khả kiến, cho phép nó sản xuất dòng quang điện cao hơn đáng kể so với các chất bán dẫn chỉ hấp thụ ánh sáng cực tím. Chất xúc tác cobaloxime cũng rất sẵn trên Trái đất, có nghĩa là nó là một sự thay thế tương đối rẻ cho các chất xúc tác kim loại quý rất đắt tiền, chẳng hạn như bạch kim, hiện đang được sử dụng trong nhiều mẫu máy sản xuất năng lượng từ ánh nắng.

"Điểm mới trong cách tiếp cận của chúng tôi là sử dụng các thành phần xúc tác phân tử giao tiếp với các chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng khả kiến", Moore nói. "Điều này tạo ra cơ hội sử dụng các môi trường ba chiều rời rạc để trực tiếp hoạt hóa quang hóa học đa điện tử và đa proton liên quan đến việc sản xuất hydro và các nhiên liệu khác".

Tuy nhiên, phân tích hiệu quả khẳng định thành phần hấp thụ ánh sáng của cathode quang của họ là trở ngại chính để có được mật độ dòng cao hơn. Các kết quả cho thấy rằng trong tổng số các photon mặt trời chạm vào bề mặt bán dẫn lai ghép này, chỉ có 1,5% tạo ra dòng quang, trên toàn bộ dải quang phổ mặt trời (từ 200 đến 4.000 nanomet).

Theo Physical Chemistry Chemical Physics

Triển vọng mới cho sản xuất nhiên liệu từ quang hợp nhân tạo

Điện khí hóa lò cao tiết kiệm năng lượng trong sản xuất thép

National Energy Efficiency Programme - Ministry of Industry and Trade