Chuyển đổi quang điện hóa (PEC) dựa trên vật liệu bán dẫn là cách tiếp cận quan trọng và đầy hứa hẹn đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời với lượng khí thải cacbon giảm thiểu. Đây là một trong những phương pháp tiên tiến nhất trong sản xuất hydro - khi ánh nắng mặt trời chiếu tới các tế bào PEC, năng lượng mặt trời được hấp thụ và dùng để tách các phân tử nước thành hydro và oxy.

Một trong những thách thức lớn nhất mà công nghệ tách nước PEC, cũng như các kỹ thuật chuyển hóa năng lượng mặt trời khác phải đối mặt, đó là việc lựa chọn và thiết kế vật liệu/cấu trúc bán dẫn để chế tạo điện cực quang (photoelectrode), do những yêu cầu khắt khe về độ ổn định quang điện hóa, kích thước khe vùng và vị trí bờ dải thích hợp, tốc độ chuyển điện tích nhanh và tái hợp thấp, và tiến triển hiđro/oxy hiệu quả. Ngoài ra, sự lãng phí năng lượng oxy hóa trong sản xuất oxy từ tách nước và sự thất thoát năng lượng điện khi dẫn các dòng điện tử vào một thiết bị tích trữ năng lượng bên ngoài, là hai yếu tố quan trọng khác gây hạn chế việc sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời.

Bằng một giải pháp khéo léo, giờ đây các nhà nghiên cứu đã chứng minh một hệ thống vật liệu lai ghép đa chức năng, cho phép đồng thời thực hiện các công đoạn sản sinh năng lượng mặt trời (tức là tạo ra hiđro), tích trữ năng lượng điện và cảm biến hóa học.

Gengfeng Zheng, giáo sư hóa học thuộc Đại học Fudan cho biết: "Việc triển khai công trình của chúng tôi tạo ra cơ hội chuyển hóa trực tiếp năng lượng mặt trời thành hai dạng năng lượng khác nhau để sử dụng trực tiếp, đó là khí hydro tại cực catôt quang (photocathode) và năng lượng điện dung lớn tại cực anôt quang (photoanode)". Hệ thống này đạt độ giả tụ điện (pseudocapacitance) cao hơn 455 g F-1 có khả năng nạp-xả liên hoàn. Quan trọng hơn, vật liệu nano NiO phát triển trên cực anôt quang có thể tiếp tục sử dụng như một bộ cảm biến glucoza tuyệt vời, với độ nhạy cao đến 0,1 mM thông qua sử dụng nguồn năng lượng điện hóa tích trữ.

Công trình của nhóm nghiên cứu đã được đăng trên phiên bản trực tuyến của Tạp chí Nano Letters, cho thấy thiết bị tích trữ và sử dụng hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời này cũng có thể sử dụng như một thiết bị cảm biến glucoza bằng cách trực tiếp sử dụng năng lượng mặt trời để phát hiện đường glucoza tại chỗ. Bằng các vật liệu chuyển hóa, tích trữ và sử dụng năng lượng tích hợp với nhau trong các điện cực quang, thiết bị này có thể trực tiếp sử dụng đầu vào năng lượng mặt trời - tức là chỉ cần cho bộ cảm biến tiếp xúc với ánh nắng mặt trời - để tạo ra một phản ứng hóa học với hàm lượng đường glucoza trong dung dịch nước.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, cơ sở của công trình nghiên cứu là hai phát triển rất quan trọng trong chuyển đổi năng lượng mặt trời và tích trữ năng lượng điện. Đó là vật liệu nano composit TiO₂/Ni (OH)₂ phát triển trong dung dịch được triển khai để đồng thời sản xuất hiđro từ năng lượng mặt trời kết hợp với tích trữ năng lượng giả điện dung, trong đó năng lượng oxy hóa được tích trữ thông qua chuyển đổi hóa học iôn Ni₂ + thành Ni₃ + (tích trữ năng lượng quang điện hóa kết hợp: sản sinh hiđro từ năng lượng mặt trời và siêu tụ điện).

Tuy nhiên, công trình này do trị số tối thiểu dải dẫn điện của TiO₂ tương đối thấp nên cần có một điện trường ngoài để chi phối lưu lượng điện tử để khử nước, điều này chưa đáp ứng được mục tiêu chuyển hóa và tích trữ năng lượng trực tiếp.

Cơ sở thứ hai của công trình đó là sự phát triển gần đây của phương pháp quang hợp nhân tạo cho thấy, việc sử dụng hai vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng, với sơ đồ dải hình chữ Z, cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để bao phủ một phần lớn hơn dãy quang phổ mặt trời tăng cường hấp thụ quang, cũng như cho phép khử và oxy hóa hiệu quả ở các điện cực quang.

Từ hai phát triển quan trọng trên, công trình của nhóm nghiên cứu đã đưa ra việc sử dụng kết hợp các vật liệu bán dẫn và các xúc tác kim loại cho chuyển đổi quang điện hóa, tích trữ/sử dụng năng lượng điện hóa hiệu quả. Hệ thống vật liệu này hoàn toàn dựa vào năng lượng mặt trời để tách và vận chuyển hạt mang điện tích, và cung cấp các chất phân tích glucoza trong dung dịch nước với độ nhạy cao. Công trình nghiên cứu cho thấy lần đầu tiên  sự chuyển đổi quang điện hóa được kết hợp với lưu trữ năng lượng giả tụ điện, mà không có sự hỗ trợ của điện áp phân cực phụ. Ngoài ra, đây là lần đầu tiên một bộ cảm biến điện hóa hoàn toàn sử dụng năng lượng mặt trời, không cần đến các phương pháp khuếch đại tín hiệu.

Công trình này có hai ứng dụng tiềm năng đặc biệt. Thứ nhất, chế tạo các thiết bị chuyển hóa năng lượng mặt trời kết hợp với tích trữ năng lượng trực tiếp để sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả. Thứ hai, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời cho cảm biến glucoza, không cần bất kỳ công cụ phụ trợ nào, cung cấp một phương pháp phát hiện chẩn đoán tại chỗ thuận tiện, có thể sử dụng rộng rãi tại nhà hoặc văn phòng, đây là một cách chẩn đoán nhanh, nhạy cho các bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường và các bệnh khác.

Zheng cho biết, các hướng tương lai của lĩnh vực nghiên cứu này đòi hỏi sự phát triển hơn nữa các cấu trúc thiết kế mới và các phương pháp tổng hợp để chế tạo các vật liệu lai và xúc tác composit nhằm tăng cường chuyển hóa năng lượng mặt trời và hiệu suất tích trữ năng lượng điện. Một thách thức đặc biệt khác là làm tăng tải trọng vật liệu và sự ổn định của điện cực quang để chế tạo các thiết bị công suất lớn, thời gian sử dụng kéo dài, cũng như sử dụng tất cả các vật liệu đất phong phú để giảm chi phí chế tạo. Công trình được hỗ trợ bởi Chương trình nghiên cứu cơ bản then chốt quốc gia, Quỹ Khoa học tự nhiên của Trung Quốc, và Đại học King Saud.

 Mai Anh Theo Nanowerk