Phát minh của Nhật Bản làm rung chuyển ngành năng lượng, tương lai khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên tái tạo ‘vô hạn’

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển thành công một chất xúc tác quang mới giúp sản xuất hydro hiệu quả hơn từ ánh sáng mặt trời. Nghiên cứu mở ra triển vọng cải thiện khả năng thương mại hóa hydro xanh trong tương lai.

Đột phá này được thực hiện tại Viện Khoa học Tokyo. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ xúc tác quang có khả năng hấp thụ dải ánh sáng mặt trời rộng hơn so với các công nghệ hiện hành. Nhờ đó, hệ thống có thể khai thác tốt hơn nguồn năng lượng tự nhiên vốn bị bỏ phí trong nhiều thiết kế trước đây.

Sản xuất hydro bằng năng lượng nặt trời từ lâu được xem là hướng đi hấp dẫn vì không phát thải carbon. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của công nghệ này nằm ở hiệu suất. Phần lớn các chất xúc tác quang hiện nay chỉ tận dụng được một phần hẹp của ánh sáng khả kiến. Điều này khiến lượng lớn năng lượng mặt trời không được chuyển hóa thành nhiên liệu.

Hạn chế này đặc biệt rõ rệt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc thời tiết nhiều mây. Khi đó, hiệu quả sản xuất hydro sụt giảm mạnh, làm giảm tính ứng dụng thực tế của công nghệ .

Để khắc phục vấn đề trên, nhóm nghiên cứu tại Tokyo đã tiếp cận theo hướng đơn giản nhưng hiệu quả. Thay vì thiết kế lại toàn bộ hệ thống, họ tập trung điều chỉnh thành phần cốt lõi của chất hấp thụ ánh sáng. Cụ thể, nhóm thay đổi kim loại trung tâm trong thuốc nhuộm dùng để thu nhận ánh sáng.

Trong các hệ truyền thống, thuốc nhuộm thường sử dụng kim loại ruthenium. Loại này chỉ hấp thụ ánh sáng khả kiến ở dải ngắn. Nhóm nghiên cứu đã thay thế ruthenium bằng osmium. Sự thay đổi này giúp hệ xúc tác hấp thụ được ánh sáng có bước sóng dài hơn, bao phủ phần lớn hơn phổ năng lượng mặt trời.

Nhờ mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng, hệ thống mới tạo ra nhiều năng lượng hữu ích hơn để phục vụ quá trình sản xuất hydro. Theo kết quả thử nghiệm, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro của thiết kế mới cao gấp khoảng hai lần so với các hệ xúc tác quang nhạy màu truyền thống.

Đáng chú ý, mức cải thiện này không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mạnh. Điều đó giúp công nghệ phù hợp hơn với điều kiện vận hành ngoài trời, nơi ánh sáng luôn biến động theo thời tiết và thời gian trong ngày.

Các nhà nghiên cứu cho rằng phát hiện này mang ý nghĩa thực tiễn lớn. Việc nâng cao hiệu suất mà không làm tăng độ phức tạp của hệ thống giúp giảm chi phí và rủi ro khi mở rộng quy mô. Đây là yếu tố then chốt đối với các công nghệ năng lượng mới.

Về dài hạn, thiết kế mới có thể hỗ trợ các mô hình sản xuất hydro phân tán hoặc các hệ quang hợp nhân tạo. Những ứng dụng này được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển dịch sang nền kinh tế carbon thấp.

Nghiên cứu cũng cho thấy một hướng đi rõ ràng cho thế hệ công nghệ tiếp theo. Thay vì chạy theo các cấu trúc phức tạp, việc tối ưu các thành phần then chốt có thể mang lại hiệu quả lớn hơn.

Công trình đã được công bố trên tạp chí khoa học ACS Catalysis.

Theo IE