Các vật liệu mới có thể biến nước thành nhiên liệu của tương lai

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Caltech và Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã phát hiện và nghiên cứu các vật liệu mới có khả năng thay thế các nhiên liệu truyền thống hiện tại.

Họ đã làm như vậy bằng cách phát triển một quy trình hứa hẹn đẩy nhanh việc phát hiện các nhiên liệu năng lượng mặt trời có thể thương mại hóa có thể thay thế than, dầu và các nhiên liệu hóa thạch khác.

Năng lượng mặt trời, một giấc mơ về nghiên cứu năng lượng sạch được tạo ra chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và CO2. Các nhà nghiên cứu đang khám phá một loạt các nhiên liệu mục tiêu, từ khí hydro đến hydrocacbon lỏng, và sản xuất bất kỳ nhiên liệu nào liên quan đến việc tách nước.

bai180

Vật liệu mới được tạo ra thông qua lắng đọng lên đĩa, sau đó được kiểm tra để xác định tính chất của chúng. Nguồn ảnh: Caltech

Mỗi phân tử nước bao gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Các nguyên tử hydro được tách ra, và sau đó có thể đoàn tụ để tạo ra khí hydrô dễ cháy hoặc kết hợp với CO2 để tạo ra nhiên liệu hydrocarbon, tạo ra nguồn năng lượng dồi dào và tái tạo. Tuy nhiên, vấn đề là các phân tử nước không đơn giản phân huỷ khi ánh sáng mặt trời chiếu vào chúng – nếu có, các đại dương sẽ không bao phủ hầu hết hành tinh. Họ cần một chút giúp đỡ từ một chất xúc tác năng lượng mặt trời.

Để tạo ra nhiên liệu năng lượng mặt trời thực tế, các nhà khoa học đã cố gắng phát triển các vật liệu có chi phí thấp và hiệu quả, được gọi là các hiệu ứng quang điện, có khả năng tách nước bằng ánh sáng nhìn thấy như một nguồn năng lượng. Trong bốn thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu chỉ xác định được 16 trong số những vật liệu photoanode này. Giờ đây, bằng cách sử dụng một phương pháp mới để xác định các vật liệu mới, một nhóm các nhà nghiên cứu do ông John Gregoire của Caltech và Jeffrey Neaton và Qimin Yan của Berkeley Lab đã tìm thấy 12 viễn cảnh mới.

Một bài báo về phương pháp và các photoanode mới xuất hiện vào tuần 6 tháng 3 trong ấn bản trực tuyến của Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia . Phương pháp mới này được phát triển thông qua mối quan hệ hợp tác giữa Trung tâm chung về quang hợp nhân tạo (JCAP) tại Caltech và Dự án Vật liệu của Labkeley, sử dụng các nguồn lực tại Foundry Phân tử và Trung tâm Tính toán Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC).

“Việc tích hợp lý thuyết và thí nghiệm này là một kế hoạch cho việc tiến hành nghiên cứu trong một thế giới liên ngành ngày càng đa ngành”, Gregoire, điều phối viên đẩy JCAP cho Phototelrocrocatalysis và lãnh đạo nhóm Thử nghiệm Thông lượng Cao. “Thật là thú vị khi tìm thấy 12 mô hình quang điện tiềm năng để sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời, nhưng thậm chí còn nhiều hơn nữa để có được một đường ống phát hiện vật liệu mới.”

Neaton nói: “Điều đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu này, kết hợp cả thí nghiệm và lý thuyết, là ngoài việc xác định một số hợp chất mới cho các ứng dụng nhiên liệu mặt trời, chúng tôi cũng có thể học được điều gì đó mới về cơ cấu điện tử bên dưới của vật liệu”.

Các quy trình phát hiện vật liệu trước dựa vào việc kiểm tra các hợp chất riêng lẻ để kiểm tra khả năng sử dụng của chúng trong các ứng dụng cụ thể. Trong quá trình mới, Gregoire và các cộng sự của ông đã kết hợp các phương pháp tính toán và thực nghiệm bằng cách khai thác cơ sở dữ liệu vật liệu hữu ích cho các hợp chất hữu ích và kiểm tra nhanh các ứng cử viên hứa hẹn nhất bằng cách sử dụng các thí nghiệm có dung lượng cao.

Trong nghiên cứu được mô tả trong bài báo PNAS, họ đã khám phá 174 hợp chất kim loại – các hợp chất có chứa các thành phần vanadi và oxy cùng với một nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn.

Nghiên cứu, Gregoire nói, cho thấy sự lựa chọn khác nhau của nguyên tố thứ ba này có thể tạo ra những vật liệu có các tính chất khác nhau và tiết lộ cách “điều chỉnh” những tính chất đó để tạo ra một bức ảnh tốt hơn.

“Sự tiến bộ then chốt của đội là kết hợp những khả năng tốt nhất cho phép bởi lý thuyết và siêu máy tính với các thí nghiệm mới lạ để tạo ra những kiến ​​thức khoa học với tốc độ chưa từng thấy”, Gregoire nói