Quy trình này có nhược điểm rất lớn là để sản xuất một tấn hydro sẽ tạo ra tám đến mười hai tấn carbon dioxide. Riêng năm 2019, 70 triệu tấn hydro được sản xuất trên toàn thế giới và nhu cầu hydro tiếp tục tăng lên.

Khác với quy trình sản xuất hydro dựa trên nhiên liệu hóa thạch, phân tách nước bằng năng lượng mặt trời, sử dụng quy trình điện phân không tạo ra bất kỳ lượng khí thải CO2 nào, hiện đang là trọng tâm những nỗ lực nghiên cứu chuyên sâu trong những thập kỷ gần đây.

Trong quy trình này, hydro và oxy được phân tách bằng một dòng quang điện, được hình thành trong chất điện phân - một tế bào chứa cực dương và cực âm để xúc tác cho phản ứng phân tách nước.

Ngày nay, những hệ thống điện phân quang điện sử dụng một số mô-đun quang điện, kết nối với máy điện phân để sản xuất hydro, đây là công nghệ hoàn thiện nhất để sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời.

Những hệ thống điện phân quang điện này được gọi là các tế bào quang điện hoặc PEC, tạo ra năng lượng điện mặt trời và thực hiện các phản ứng hóa học phân tách nước thành hydro.

Mặc dù tiềm năng công nghệ rất cao, nhưng khó cạnh tranh với những công nghệ phổ thông hiện nay về chi phí, do nhiên liệu hóa thạch rẻ hơn nhiều so với chi phí cho một công nghệ điện phân.

Đã có những hệ thống điện phân quang điện quy mô nhỏ với hiệu suất năng lượng mặt trời-hydro đạt hơn 15%. Nhưng sử dụng các thiết bị điện tử công suất cao cần một số lượng đáng kể những bộ phận phụ trợ cần thiết như mạch điều khiển, đầu kết nối, trang thiết bị giám sát và các thiết bị đo đạc làm tăng chi phí sản xuất hydro.

Một nhóm các nhà khoa học thuộc cơ quan nghiên cứu và thử nghiệm SABIC Corporate R & D tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST), Ả rập Xê út phát triển một hệ thống điện hóa quang tích hợp chất hấp thụ quang ảnh và chất xúc tác nhằm giảm chi phí sản xuất hydro.

Theo trưởng nhóm khoa học, giáo sư Hicham Idriss (Chuyên gia tại SABIC và Giáo sư danh dự tại Khoa Hóa học, Đại học College London (Anh)), có những khó khăn lớn liên quan đến phát triển một hệ thống điện hóa quang ảnh mới cho sản xuất hydro quy mô công nghiệp.

Vấn đề đầu tiên là mở rộng quy mô sản xuất, thực tế là những thiết bị điện hóa quang ảnh được phát triển mới vẫn chưa phát triển ra ngoài giới hạn thử nhiệm, có hiệu suất thấp hơn các hệ thống điện phân quang điện khác được hoàn thiện từ lâu.

Những sáng kiến của nhóm nghiên cứu được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie, chứng minh rằng các nhà khoa học đã thiết kế, chế tạo thành công và thử nghiệm một lò phản ứng điện hóa quang ảnh giải quyết những thách thức này.

 Sơ đồ một lò phân tách nước quang điện hóa.

 

Idriss cho biết, “một trong những nhà khoa học trẻ trong nhóm cho biết, tại sao chúng tôi chỉ dán một lớp giấy mỏng ở mặt sau của tế bào quang điện, sau nhiều thử nghiệm thất bại, lớp giấy này hoạt động hoàn hảo như một chất xúc tác và kiểm soát nhiệt.

 Các nhà nghiên cứu KAUST lắp đặt một hệ thống quang điện hóa quang ảnh để sản xuất H2 tích hợp bộ hấp thụ quang ảnh photo-absorber với chất xúc tác.

Hệ thống cuối cùng được tích hợp với một thiết bị điện phân quang điện nhằm cân bằng chi phí hệ thống, sử dụng nguồn ánh sáng mặt trời tập trung nhằm giảm giá thành cho bộ hấp thụ quang ảnh.

Các nhà nghiên cứu KAUST sử dụng chất điện phân kiềm trong máy điện phân nước, duy trì ổn định độ dẫn ion trong thiết bị điện phân quang điện.

Bằng giải pháp này, các nhà khoa học KAUST giảm chi phí chất xúc tác và loại bỏ nhu cầu quản lý nhiệt bên ngoài.

Lò phản ứng quang điện hóa mới, sản xuất hydro từ nước hoạt động gần sát hiệu suất lý thuyết tối đa (khoảng 18,3 ± 0,7%) khi ánh sáng yếu. Dưới cường độ ánh sáng cao hơn và sử dụng ống kính quang học, tốc độ sản xuất hydro tăng lên với hiệu suất năng lượng mặt trời-hydro ổn định trong khoảng 13 ± 0,6%.

Các thử nghiệm xúc tác được thực hiện liên tục trong hơn 100 giờ, nhưng không có dấu hiệu suy thoái cũng như sự thay đổi sản lượng khí hydro thu được được; Các thử nghiệm tiếp theo cho thấy hệ thống điện phân này có thể hoạt động ổn định trong một năm, ông Idriss nói.

Nhưng vẫn tồn tại khả năng để tối ưu hóa. “Chúng tôi mất rất nhiều năng lượng, bởi vì các tế bào cung cấp điện năng nhiều hơn điện áp cần thiết để phân tách nước.

Chúng ta cần thiết kế một tế bào có điện áp gấp đôi ở nồng độ điện phân cao hơn hoặc kết nối hai tế bào quang điện với nguồn ba thiết bị điện phân.

Ông Idriss nói: Cả hai giải pháp đều có thể. Trước khi đi vào nghiên cứu phát triển quy mô lớn, các nhà khoa học phải tiến hành phân tích kinh tế, kỹ thuật và tài chính để đảm bảo rằng nghiên cứu sâu hơn có tính thực tiễn trong ứng dụng sản xuất. Thách thức lớn nhất trong công nghệ phân tách nước bằng năng lượng mặt trời là xây dựng một hệ thống sản xuất ổn định, giá cả hợp lý quy mô lớn. Chúng tôi chưa từng thực hiện thử nghiệm với dung tích rất lớn chất điện phân.