Quá trình tách nước thông qua quang xúc tác để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành hydro là một phương pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả. Tuy nhiên, quá trình này thường yêu cầu nước tinh khiết và diện tích đất đai đáng kể để cài đặt nhà máy, đồng thời tạo ra nhiệt thải không tận dụng được.

Với nước được xem là một nguồn tài nguyên quý giá, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge, Anh đã phát triển một thiết bị động cơ bằng năng lượng mặt trời, có khả năng sản xuất đồng thời nhiên liệu hydro sạch và nước uống sạch từ các nguồn nước không qua xử lý như sông, biển, hồ chứa nước hoặc nước thải công nghiệp, tạo ra một lựa chọn bền vững hơn.

Chanon Pornrungroj, tác giả chính của nghiên cứu, mô tả: "Việc kết hợp quá trình sản xuất nhiên liệu từ mặt trời và quá trình tách nước trong một thiết bị độc lập là một thử thách. Quá trình tách nước bằng năng lượng mặt trời, nơi các phân tử nước bị phân hủy thành hydro và oxy, thường yêu cầu sự bắt đầu từ nước hoàn toàn tinh khiết, vì bất kỳ chất ô nhiễm nào cũng có thể gây độc hại cho chất xúc tác hoặc gây ra các phản ứng phụ hóa học không mong muốn".

Đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã mô phỏng khả năng quang hợp của thực vật nhưng khác biệt ở chỗ thiết bị của họ có khả năng sử dụng nước ô nhiễm. Điều này giúp đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động hiệu quả ở những vùng nơi việc tìm kiếm nguồn nước sạch trở nên khó khăn.

Ông Ariffin Mohamad Annuar, một trong những tác giả của nghiên cứu, chia sẻ: "Ở những khu vực sâu xa hoặc đang phát triển, nơi nguồn nước sạch là điều khan hiếm và cơ sở hạ tầng lọc nước không sẵn có, quá trình phân tách nước trở nên vô cùng khó khăn. Một thiết bị có thể hoạt động bằng nước ô nhiễm có thể giải quyết đồng thời hai vấn đề: tách nước để tạo nên nhiên liệu sạch và tạo ra nước uống sạch".

Để đạt được mục đích này, các nhà khoa học đã sử dụng chất xúc tác quang có khả năng hấp thụ tia UV trên lưới carbon cấu trúc nano, giúp hấp thụ cả ánh sáng hồng ngoại. Lưới carbon xốp được xử lý để đẩy nước, giúp chất xúc tác quang nổi lên và giữ khoảng cách với mặt nước để tránh sự ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm. Cấu trúc này không chỉ tăng cường việc sử dụng năng lượng mặt trời mà còn giảm nguy cơ ô nhiễm.

"Quy trình sản xuất nhiên liệu mặt trời thông qua ánh sáng thường chỉ tận dụng một phần nhỏ của quang phổ mặt trời, trong khi rất nhiều quang phổ khác không được sử dụng", ông Annuar nhấn mạnh.

Để tận dụng hết tiềm năng của ánh sáng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lớp hấp thụ tia cực tím màu trắng ở phía trên thiết bị để sản xuất hydro thông qua quá trình tách nước. Ánh sáng còn lại được truyền xuống đáy thiết bị, gây ra sự bay hơi của nước. Phương pháp này mô phỏng chặt chẽ quá trình thoát hơi nước, quá trình chuyển động của nước trong cây và sự bốc hơi từ các phần trên không như lá, thân và hoa.

Ông Pornrungroj nói: "Chúng tôi đang tận dụng ánh sáng một cách tốt hơn, thu được hơi nước để sản xuất hydro và phần còn lại là hơi nước. Bằng cách này, chúng tôi thực sự bắt chước mô hình hoạt động của một chiếc lá thật, vì giờ đây chúng tôi có thể kết hợp cả quá trình thoát hơi nước".

Thử nghiệm trên thiết bị của họ đã được thực hiện với nguồn nước thực tế như sông Cam ở trung tâm Cambridge và chất thải công nghiệp đục từ ngành công nghiệp giấy. Trong nước biển nhân tạo, hiệu suất của thiết bị giữ được 80% sau 154 giờ. Các nhà nghiên cứu cho biết đây là do chất xúc tác quang được giữ nguyên, không bị ảnh hưởng bởi chất gây ô nhiễm trong nguồn nước, và khả năng khá khô giúp thiết bị duy trì hiệu suất ổn định.

Pornrungroj nói thêm: "Thiết bị của chúng tôi có khả năng chịu đựng chất ô nhiễm rất tốt và cấu trúc nổi của nó cho phép nó hoạt động trong nước đục hoặc bùn. Đó là một hệ thống rất linh hoạt". Các nhà nghiên cứu tỏ ra lạc quan về khả năng của thiết bị của họ trong việc giải quyết các thách thức về kinh tế tuần hoàn.

Anh Đào (Tổng hợp)