Mặt trời nhân tạo mở ra bước tiến mới trong sản xuất hydro xanh

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng trở nên nghiêm trọng, các nhà khoa học tại Đại học Nông nghiệp và Kỹ thuật Bắc Carolina (North Carolina Agricultural and Technical State University) đã đạt được bước tiến đáng kể trong việc phát triển công nghệ sản xuất hydro xanh - một nguồn năng lượng sạch được kỳ vọng sẽ góp phần thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai.

Theo số liệu từ Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (U.S. Energy Information Administration), trong năm 2023, nhiên liệu hóa thạch bao gồm dầu mỏ, khí tự nhiên và than đá vẫn chiếm khoảng 84% tổng sản lượng năng lượng sơ cấp của Hoa Kỳ. Việc đốt cháy các nguồn năng lượng không tái tạo này thải ra lượng lớn carbon dioxide vào khí quyển, làm trầm trọng thêm tình trạng biến đổi khí hậu thông qua hiệu ứng nhà kính.

Công nghệ "mặt trời nhân tạo" và vật liệu đột phá

Nhóm nghiên cứu do TS. Bishnu Bastakoti dẫn đầu đã tập trung vào việc phát triển hydro xanh - chất mang năng lượng sạch được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời. Khác với các phương pháp sản xuất hydro truyền thống (hydro nâu, hydro xám và hydro xanh dương) vốn đều thải ra khí nhà kính, hydro xanh lá cây đánh dấu một bước tiến quan trọng khi hứa hẹn một giải pháp sạch hơn bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi năng lượng.

Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải những thách thức riêng, đặc biệt là sự biến đổi cường độ ánh sáng, nhất là vào những ngày nhiều mây, có thể ảnh hưởng đến lượng hydro tạo ra. Để giải quyết vấn đề về tính tái lập trong sản xuất hydro, nhóm của TS. Bastakoti đã sử dụng một thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời (solar simulator) trong phòng thí nghiệm của họ.

Môi trường có kiểm soát này cho phép họ đo lường chính xác năng lượng truyền đến các phân tử nước khi tiếp xúc với ánh sáng. Bằng cách phân tách các phân tử này, các nhà nghiên cứu có thể xác định chính xác lượng hydro tạo ra, góp phần vào một quy trình sản xuất nhất quán và đáng tin cậy hơn.

Cấu trúc tổ ong từ titanate sắt: Nhân đôi hiệu suất

Một trong những thành phần then chốt trong nghiên cứu của họ là thiết kế vật liệu mới dựa trên titanate sắt (iron titanate). Nhóm nghiên cứu đã cấu trúc vật liệu này theo dạng tổ ong (honeycomb), tối ưu hóa hiệu suất. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Small với tiêu đề "Photocatalytic Hydrogen Evolution Using Mesoporous Honeycomb Iron Titanate" (Sự tạo thành hydro quang xúc tác sử dụng titanate sắt tổ ong trung mao quản).

Các nghiên cứu trước đây đã hướng dẫn sự đổi mới này, cho thấy rằng cấu hình tổ ong xốp đáng kể nâng cao sự vận chuyển điện tích và khối lượng, nhờ vào diện tích bề mặt lớn, đây là những yếu tố quan trọng trong các quá trình xúc tác. Kích thước lỗ xốp cụ thể của vật liệu này dao động từ 2 đến 50 nanomet, xếp vào loại trung mao quản (mesoporous).

Điểm đột phá quan trọng nhất là cấu trúc tổ ong mới được thiết kế này đã chứng minh khả năng sản xuất lượng hydro gần gấp đôi so với các vật liệu thương mại hiện có, mở ra triển vọng mới cho ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

Thách thức kinh tế và tầm nhìn dài hạn

TS. Bastakoti nhấn mạnh tiềm năng của các nguồn tài nguyên tái tạo trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai. "Điều quan trọng là nâng cao nhận thức của công chúng rằng chúng ta có thể sử dụng các nguồn tái tạo hiệu quả để sản xuất năng lượng chúng ta cần," ông nói.

Ông so sánh quá trình chuyển đổi đang diễn ra sang hydro xanh với sự chuyển dịch lịch sử từ than đá sang khí tự nhiên, ủng hộ bước đi xa hơn khỏi nhiên liệu không tái tạo. Tại một hội nghị "Gặp gỡ Nhà khoa học" được tổ chức tại Nepal vào mùa hè năm 2024, nhiều người tham dự đã hỏi về khía cạnh kinh tế của việc sản xuất hydro xanh.

TS. Bastakoti đã trả lời thẳng thắn, thừa nhận chi phí ban đầu cao liên quan đến công nghệ mới nổi này. "Hydro xanh đắt hơn, bởi vì bất cứ thứ gì cũng đắt đỏ khi mới bắt đầu. Điều quan trọng là những lợi ích lâu dài mà chúng ta cần tập trung cho các thế hệ tương lai," ông giải thích.

Tác động đến ngành công nghiệp năng lượng Việt Nam

Đối với Việt Nam, một quốc gia đang phát triển với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc áp dụng công nghệ hydro xanh có thể mang lại nhiều cơ hội và thách thức. Là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là ở các tỉnh miền Trung và Nam Bộ, Việt Nam có thể tận dụng công nghệ này để đa dạng hóa nguồn cung năng lượng và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Theo Quy hoạch Điện VIII, Việt Nam đặt mục tiêu tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo lên 30-32% tổng công suất điện đến năm 2030 và 67-71% đến năm 2050. Việc ứng dụng công nghệ hydro xanh và các vật liệu tiên tiến như titanate sắt cấu trúc tổ ong có thể là một bước đi quan trọng để đạt được những mục tiêu này.

Tuy nhiên, các rào cản về chi phí và công nghệ vẫn còn đó. Ngay cả tại các nước phát triển như Hoa Kỳ, chi phí sản xuất hydro xanh vẫn cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Đối với Việt Nam, việc tiếp cận và chuyển giao công nghệ sẽ là thách thức lớn.

Triển vọng tương lai

Khi nhu cầu năng lượng toàn cầu phát triển, nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Nông nghiệp và Kỹ thuật Bắc Carolina đóng vai trò như một bước đi quan trọng hướng tới tương lai bền vững. Bằng cách thúc đẩy khoa học về hydro xanh, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ mở đường cho các giải pháp năng lượng sạch hơn, có thể giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đồng thời đảm bảo nhu cầu năng lượng của chúng ta trong nhiều năm tới.

Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, việc theo dõi và nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến này sẽ là chìa khóa để không bị tụt hậu trong cuộc cách mạng năng lượng xanh toàn cầu. Sự hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và phát triển, cũng như các chính sách hỗ trợ từ chính phủ, sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng này.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng