Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp mới để khai thác năng lượng mặt trời, đưa chúng ta đến gần hơn với một tương lai năng lượng sạch.

Theo ước tính, lượng năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất trong một năm lớn hơn tổng tất cả năng lượng chúng ta từng có thể sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên không tái tạo. Chúng ta đã phát triển các loại công nghệ cần thiết để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, sự kém hiệu quả trong việc lưu trữ và phân phối nguồn điện đó vẫn là một vấn đề đáng bàn. Điều này khiến năng lượng mặt trời trở nên không thực tế trên quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu tại Trường Cao đẳng và Cao học Nghệ thuật & Khoa học của UVA, Viện Công nghệ California và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đã tạo ra bước đột phá có thể loại bỏ một trở ngại quan trọng khỏi quá trình này - một khám phá đại diện cho một bước tiến khổng lồ hướng tới một tương lai năng lượng sạch.

Phương pháp để khai thác năng lượng mặt trời là sử dụng điện mặt trời để phân tách các phân tử nước thành oxy và hydro. Hydro được tạo ra từ quá trình này được lưu trữ dưới dạng nhiên liệu, ở dạng có thể được chuyển từ nơi này sang nơi khác và được sử dụng để tạo ra năng lượng theo yêu cầu. Để tách các phân tử nước thành các phần thành phần của chúng, cần có chất xúc tác, nhưng vật liệu xúc tác hiện đang được sử dụng trong quá trình này, còn được gọi là phản ứng tiến hóa oxy, không đủ hiệu quả để làm cho quá trình mang tính trở nên thực tiễn.

Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu do các giáo sư hóa học Sen Zhang và T. Brent Gunnoe đứng đầu đã sử dụng một chiến lược hóa học sáng tạo được phát triển tại UVA, từ đó tạo ra một dạng chất xúc tác mới sử dụng các nguyên tố coban và titan. Ưu điểm của các nguyên tố này là chúng có nhiều trong tự nhiên hơn nhiều so với các vật liệu xúc tác thường được sử dụng khác có chứa các kim loại quý như iridi hoặc ruthenium.

Theo Gunnoe, "việc đổi mới cải tiến này tập trung vào những thành tựu từ phòng thí nghiệm Zhang, đồng thời đại diện cho phương pháp mới để cải thiện và hiểu rõ các vật liệu xúc tác với một nỗ lực kết quả liên quan đến việc tích hợp tổng hợp vật liệu tiên tiến, đặc tính cấp nguyên tử và lý thuyết cơ học lượng tử."

Với sự giúp đỡ của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và các cơ sở sử dụng máy quang phổ hấp thụ tia X Synctron hiện đại sử dụng bức xạ để kiểm tra cấu trúc của vật chất ở cấp độ nguyên tử, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng chất xúc tác có cấu trúc bề mặt được xác định rõ ràng cho phép họ thấy rõ chất xúc tác phát triển ra sao trong thời gian chờ đợi phản ứng tiến hóa oxy và cho phép họ đánh giá chính xác hiệu suất của nó.

“Công trình đã sử dụng các chùm tia X từ Nguồn Photon nâng cao và Nguồn sáng nâng cao, bao gồm một phần của chương trình 'Truy cập nhanh' dành cho các ý tưởng khoa học nổi bật hoặc cấp bách”, nhà vật lý tia Hua Zhou, một đồng tác giả của bài báo cho hay. "Chúng tôi rất vui mừng rằng cả hai cơ sở sử dụng khoa học quốc gia về cơ bản có thể đóng góp đáng kể vào công việc tách nước thông minh và gọn gàng như vậy sẽ mang lại một bước tiến nhảy vọt cho công nghệ năng lượng sạch."

Cả Nguồn Photon nâng cao và Nguồn sáng nâng cao đều là Cơ sở sử dụng Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng (DOE) của Hoa Kỳ đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu tại Caltech, bằng cách sử dụng các phương pháp cơ học lượng tử mới được phát triển đã có thể dự đoán chính xác tốc độ sản xuất oxy do chất xúc tác gây ra, cung cấp cho nhóm sự hiểu biết chi tiết về cơ chế hóa học của phản ứng.

"Chúng tôi đã dành hơn 5 năm để phát triển các kỹ thuật cơ học lượng tử mới để hiểu cơ chế phản ứng tiến hóa oxy, nhưng trong tất cả các nghiên cứu trước đây, chúng tôi không thể chắc chắn về cấu trúc chính xác của chất xúc tác. Chất xúc tác của Zhang có cấu trúc nguyên tử được xác định rõ rang” - William A. Goddard III, Giáo sư hóa học, Khoa học vật liệu và Vật lý ứng dụng tại Caltech, đồng thời là một trong những nhà điều tra chính của dự án, cho biết. "Điều này cung cấp xác nhận thực nghiệm mạnh mẽ đầu tiên về các phương pháp lý thuyết mới của chúng tôi, mà giờ đây có thể sử dụng để dự đoán các chất xúc tác thậm chí tốt hơn có thể được tổng hợp và thử nghiệm. Đây là một cột mốc quan trọng đối với năng lượng sạch toàn cầu."

Jill Venton, Chủ tịch Khoa Hóa học của UVA, nói: "Công trình này là một ví dụ tuyệt vời về nỗ lực của nhóm UVA và các nhà nghiên cứu khác nhằm hướng tới năng lượng sạch và những khám phá thú vị có được từ sự hợp tác liên ngành này". 

Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201217135242.htm