Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học trên toàn thế giới nỗ lực tìm giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra phản ứng then chốt, sản xuất hydro như một nguồn năng lượng sạch - tách các phân tử nước để tạo ra hydro và oxy. Nhưng những nỗ lực hầu hết thất bại do quy trình sản xuất quá đắt đỏ. Việc tìm kiếm giải pháp giảm chi phí lại dẫn đến hiệu quả sản xuất kém.

Trong một công trình khoa học, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Texas tại Austin tìm được một phương pháp chi phí thấp, giải một nửa phương trình sử dụng ánh sáng mặt trời để tách các phân tử oxy ra khỏi nước hiệu quả. Phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Communications , được xác định là một bước tiến trong quá trình chuyển đổi hydro trở thành một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng năng lượng thế giới.

Từ những năm 1970, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất ra hydro. Nhưng không tìm được các vật liệu với những đặc tính cần thiết cho một thiết bị, có thể thực hiện hiệu quả các phản ứng hóa học để trở thành phương pháp chủ đạo sản xuất nhiên liệu sạch này.

GS Edward Yu tại Khoa Điện và Máy tính thuộc Trường Cockrell, Đại học Texas ở Austin cho biết: “Cần phải có những vật liệu có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời và đồng thời không bị phân hủy khi phản ứng tách nước diễn ra.

"Các vật liệu hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời có xu hướng không ổn định trong những điều kiện cần thiết cho phản ứng phân tách nước, các vật liệu ổn định trong phản ứng lại có xu hướng hấp thụ ánh sáng mặt trời kém.

Những mâu thuẫn này khiến các nhà khoa học phải tìm cách kết hợp nhiều vật liệu, vật liệu hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời như silicon và một vật liệu khác cung cấp độ ổn định tốt như silicon dioxide vào một thiết bị duy nhất để giải quyết trở ngại này. "

Nhưng sự kết hợp lại tạo ra thách thức khác - các electron và lỗ hổng, tạo ra do sự hấp thụ ánh sáng mặt trời trong silicon phải có thể di chuyển dễ dàng qua lớp silicon dioxide. Tình huống này yêu cầu lớp silicon dioxide dày không quá vài nanomet, nhưng lại giảm hiệu quả bảo vệ chất hấp thụ silicon chống suy thoái.

Chìa khóa của phát hiện đột phá này là sử dụng một giải pháp kỹ thuật tạo ra các đường dẫn điện thông qua lớp silicon dioxide dày, được thực hiện với chi phí thấp và có khả năng sản xuất dễ dàng quy mô lớn.

Thực hiện sáng kiến này, nhóm nhà khoa học Yu sử dụng một kỹ thuật, được thực hiện trong sản xuất chip điện tử bán dẫn. Nhóm nghiên cứu phủ lên lớp silicon dioxide một màng nhôm mỏng và sau đó nung nóng toàn bộ cấu trúc, hình thành các mảng "gai" nhôm có kích thước nano kết nối trên toàn lớp silicon dioxide. Sau đó, mảng “gai” nhôm dễ dàng được thay thế bằng niken hoặc những vật liệu khác, là chất xúc tác trong phản ứng tách nước.

 Thí nghiệm sử dụng vật liệu tổng hợp hấp thụ ảnh sáng silicon và vật liệu bảo vệ silicon dioxide phân tách nước bằng ánh sáng.

Khi được ánh sáng mặt trời chiếu xạ, thiết bị sẽ oxy hóa nước hiệu quả, tạo thành các phân tử oxy cùng với các phân tử hydro tại một điện cực riêng biệt. Thiết bị hoạt động rất ổn định trong thời gian dài.

Những kỹ thuật chế tạo ra các thiết bị phân tách nước này thường được sử dụng trong sản xuất thiết bị điện tử bán dẫn, nên dễ dàng mở rộng quy mô để có thể sản xuất hàng loạt.

Nhóm nhà khoa học đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời để thương mại hóa công nghệ phân tách nước này.

Phương thức sản xuất tiên tiến, hiệu quả, giá thành hạ là điều kiện tiên quyết để hydro trở thành nguồn nhiên liệu khả thi thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Hầu hết ngành công nghiệp sản xuất hydro ngày nay xảy ra sử dụng công nghệ đốt nóng hơi nước và khí mê-tan, chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch và tạo ra một khối lượng lớn khí thải carbon.

Vấn đề này thúc đẩy việc sản xuất "hydro xanh" sử dụng các phương pháp thân thiện với môi trường. Đơn giản hóa phản ứng tách nước là một phần quan trọng của sự phát triển nguồn năng lượng xanh tương lại.

Hydro là nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng với những tính chất độc đáo. Hydro đóng một vai trò quan trọng trong các quy trình công nghiệp và đang được nghiên cứu để ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Pin nhiên liệu có tiềm năng lớn trong vận tải đường dài, công nghệ sản xuất hydro cũng lã một giải pháp quan trộng để lưu trữ năng lượng từ điện gió và điện mặt trời dư thừa trong sản xuất năng lượng tái tạo.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm giải pháp nhằm tăng cường hiệu quả của phần oxy của quá trình phân tách nước bằng giải pháp tăng tốc độ phản ứng. Thách thức lớn tiếp theo của các nhà khoa học, đó là phần còn lại của phương trình phản ứng hóa học, tách các phân tử oxy ra khỏi nước một cách hiệu quả.

Nghiên cứu được Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ thông qua Tổng cục Kỹ thuật và chương trình Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu (MRSEC). Tham gia công trình nghiên cứu của GS Yu là các sinh viên Đại học Tezax Austin Soonil Lee và Alex De Palma, cùng với Li Ji, giáo sư khoa học tại Đại học Fudan ở Trung Quốc.