Tạo ra khí hy-đrô bằng cách tách các phân tử nước (H2O) cùng với năng lượng mặt trời hiện được coi là phương pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô mà được đốt trực tiếp hoặc sử dụng trong pin nhiên liệu chạy động cơ phương tiện giao thông như ô-tô, xe buýt và thậm chí cả máy bay.

Nghiên cứu được Xinchen Wang, một nhà hóa học thuộc viện keo và tiếp xúc Max-Planck ở Potsdam, Đức và đại học Phúc Châu, ở Phúc Châu, Trung Quốc.

Việc tìm kiếm chất liệu bán dẫn phù hợp đóng vai trò xúc tác trong quá trình này là mục đích chính trong nghiên cứu khoa học vật liệu”, Wang cho phóng viên PhysOrg.com biết. “Ngoài việc là một vật liệu phong phú, đa năng và an toàn, chất xúc tác mới còn phải có thể kết hợp với nước và hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được. Và vật liệu chúng tôi lựa chọn đã đám ứng đủ những yêu cầu đó”.

Các loại chất xúc tác được nghiên cứu phát triển trong 30 năm qua đều dựa trên các chất kim loại và thường yêu cầu sử dụng kim loại quí đắt đỏ để hỗ trợ quá trình xúc tác. Các loại vật liệu polyme tổng hợp cũng được phát triển đồng thời nhưng chúng chỉ có tác dụng khi sử dụng trong vùng ánh sáng cực tím, một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời và thực sự chúng hoạt động không mấy hiệu quả.

Vật liệu do Wang và các cộng sự nghiên cứu là chất các-bon ni-tơ-rat được trùng hợp thành dạng chuỗi phân tử. Nhóm nhiên cứu đã tiến thêm được một bước nữa khi sử dụng quá trình hun nóng/cô đặc để cho chuỗi phân tử hình thành các màng xếp lớp với các cấu trúc tương tự như than chì, một dạng mạch các-bon rất đều.

Các-bon ni-tơ-rat rồi sẽ được nghiền thành bột, cho vào nước có chứa chất phản ứng cung cấp điện tử cho phản ứng có xúc tác. Khi hỗn hợp được chiếu sáng, các phân tử nước tách ra thành i-ông hy-đrô dương và phân tử ô-xy. Nguyên tử các-bon của chất xúc tác giúp tạo ra không gian cho i-ông hy-đrô chuyển sang hy-đrô phân tử (H2)- nhờ quá trình này mà các nguyên tử ni-tơ nhường điện tử cho các i-ông để chúng tái tạo lại hy-đrô 2 nguyên tử. Các nguyên tử ni-tơ lại giúp quá trình ngược lại, quá trình ô-xy hóa để các nguyên tử ô-xy biến thành ô-xi phân tử (O2).
Các kiểm nghiệm của nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng các-bon ni-tơ-rat trùng hợp có khả năng hấp thụ cả ánh sáng cực tím và ánh sáng nhìn thấy và mặc dù phản ứng của nó có tỉ lệ sản sinh H2 không ổn định theo từng phân kì nhưng nó là một loại xúc tác hiệu quả thậm chí trong trường hợp thiếu bạch kim và các kim loại quí khác.

“Kết quả ngiên cứu của chúng tôi mở ra hướng đi mới trong việc tìm kiếm những dự án sản xuất năng lượng sử dụng cấu trúc bán dẫn hữu cơ trùng hợp rất rẻ tiền, ổn định và sẵn có”, Wang kết luận.

Nghiên cứu này được online số ra ngày 9-11 của tạp chí Nature Materials.

(Nguồn: TKNL)