Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU, Singapore) đã phát triển một chiếc lá nhân tạo sử dụng ánh sáng mặt trời để sản xuất hydro từ nước biển, đồng thời phân hủy hydrazine, chất ô nhiễm cực độc trong nước thải công nghiệp. Nghiên cứu do Giáo sư Lydia H. Wong dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Nature Communications, mở ra triển vọng kết hợp sản xuất nhiên liệu sạch và xử lý ô nhiễm trong cùng một quy trình.
Thách thức khi sản xuất hydro từ nước biển
Hầu hết các hệ thống điện phân hiện nay sử dụng nước ngọt đã qua tinh chế để sản xuất hydro. Trong khi đó, nước biển có nguồn cung dồi dào nhưng chứa nhiều muối, gây trở ngại cho quá trình điện phân. Khi dòng điện đi qua, các ion clorua có thể tham gia phản ứng tạo thành những hợp chất clo độc hại, có tính ăn mòn, làm hư hại điện cực và phát sinh chất thải cần xử lý.
Để khắc phục, các hệ thống sản xuất hydro từ nước biển thường phải trải qua công đoạn khử muối tốn kém hoặc sử dụng điện cực có khả năng chống ăn mòn.
Thách thức này đặc biệt đáng chú ý tại những khu vực ven biển khô hạn như Úc, Trung Đông và Bắc Phi, nơi nguồn nước ngọt ngày càng chịu nhiều áp lực. Việc khai thác trực tiếp nước biển để sản xuất hydro cũng có ý nghĩa đối với các quốc đảo như Singapore, nơi đang triển khai chiến lược hydro quốc gia nhưng có nguồn nước ngọt hạn chế.
Nhằm giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tại NTU đã tích hợp vào cực dương một chất xúc tác có khả năng phân hủy hydrazine thành hydro và nitơ. Phản ứng này đồng thời hạn chế sự hình thành các hợp chất clo gây ăn mòn, qua đó kết hợp sản xuất nhiên liệu sạch với xử lý chất ô nhiễm.
Cực âm perovskite khai thác năng lượng mặt trời
Ở phía đối diện, nhóm nghiên cứu chế tạo cực âm quang điện từ vật liệu perovskite chì halide, loại tinh thể có khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng hiệu quả.
Vật liệu perovskite thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực năng lượng mặt trời nhờ chi phí sản xuất tương đối thấp và khả năng gia công từ dung dịch ở nhiệt độ thấp, giúp đơn giản hóa quy trình chế tạo.
Trong thử nghiệm, cực âm quang perovskite đạt mật độ dòng quang điện 25 miliampe trên mỗi centimet vuông (mA/cm²). Đây là chỉ số thể hiện cường độ dòng điện tạo ra trên một đơn vị diện tích được chiếu sáng. Theo nhóm nghiên cứu, kết quả này thuộc nhóm cao nhất từng được ghi nhận đối với cực âm quang perovskite gốc chì.
Đáng chú ý, thiết bị duy trì hoạt động ổn định trong hơn 72 giờ dưới điều kiện chiếu sáng mô phỏng ánh nắng mặt trời vào ngày quang đãng. Tốc độ sản xuất hydro cũng tương đương các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời có công nghệ tương tự.
Vừa sản xuất hydro, vừa xử lý nước ô nhiễm
Một ưu điểm nổi bật của chiếc lá nhân tạo là khả năng hoạt động hoàn toàn bằng ánh sáng mặt trời, không cần nguồn điện bên ngoài từ lưới điện hay pin. Năng lượng ánh sáng trực tiếp thúc đẩy các phản ứng hóa học, giúp thiết bị đồng thời sản xuất hydro và phân hủy chất ô nhiễm.
Trong thử nghiệm, thiết bị giảm nồng độ hydrazine xuống dưới một phần tỷ (ppb) sau khoảng 30 giờ, tương đương loại bỏ gần như hoàn toàn chất độc hại này khỏi dung dịch.
Hydrazine được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất hóa chất đến nhiên liệu đẩy tên lửa. Tuy nhiên, đây là chất có độc tính cao đối với con người và sinh vật thủy sinh, đòi hỏi quy trình xử lý nước thải nghiêm ngặt.
Khả năng phân hủy hydrazine ngay trong quá trình sản xuất hydro mở ra hướng tiếp cận mới, giúp kết hợp xử lý ô nhiễm với tạo ra nhiên liệu có giá trị, thay vì phải thực hiện hai quy trình riêng biệt.
Thách thức trước khi ứng dụng thực tế
Dù đạt kết quả khả quan, công nghệ hiện mới được thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm và còn nhiều rào cản trước khi thương mại hóa.
Một trong những hạn chế lớn nhất nằm ở độ bền của vật liệu perovskite. Loại vật liệu này dễ suy giảm hiệu suất khi tiếp xúc lâu dài với độ ẩm, nhiệt độ cao và ánh sáng. Vì vậy, dù khả năng vận hành ổn định trong hơn 72 giờ là tín hiệu tích cực, thiết bị vẫn cần chứng minh độ bền trong nhiều năm để đáp ứng yêu cầu ứng dụng thương mại.
Bên cạnh đó, thành phần chì trong perovskite đặt ra lo ngại về nguy cơ rò rỉ kim loại độc hại vào môi trường nước. Các nhà nghiên cứu cần phát triển giải pháp bảo vệ, bảo đảm vật liệu được cách ly an toàn trong suốt quá trình vận hành.
Việc mở rộng từ thiết bị thử nghiệm nhỏ sang hệ thống quy mô công nghiệp cũng là thách thức, bởi hiệu suất thường suy giảm khi tăng diện tích hoạt động.
Dù vậy, nghiên cứu góp phần mở rộng hướng phát triển công nghệ sản xuất hydro trực tiếp từ năng lượng mặt trời. Đặc biệt, khả năng tận dụng nước biển và đồng thời xử lý chất ô nhiễm mang lại triển vọng ứng dụng tại các khu công nghiệp ven biển.
Bước tiếp theo là đánh giá hiệu suất, độ bền và mức độ an toàn của thiết bị trong điều kiện thực tế, qua đó xác định khả năng triển khai ở quy mô lớn.
Dù còn những thách thức về độ bền vật liệu, nguy cơ rò rỉ chì và khả năng mở rộng quy mô, chiếc lá nhân tạo của NTU mở ra triển vọng sản xuất hydro sạch từ nước biển bằng năng lượng mặt trời, đồng thời xử lý chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp. Nếu chứng minh được hiệu quả và độ an toàn trong điều kiện thực tế, công nghệ này có thể góp phần phát triển các giải pháp năng lượng bền vững, đặc biệt tại những khu vực ven biển khan hiếm nước ngọt.
Hoàng Hạnh
Bài viết cùng chuyên mục
Lần đầu tiên, Đà Nẵng lên Đề án, xây dựng Kịch bản truyền thông Khoa học – Công nghệ, Đổi mới sáng tạo và Chuyển đổi số
Cần Thơ phải biến điểm số đổi mới thành sản phẩm
Sơn Trà Innovation Zone – cửa ngõ Đổi mới sáng tạo ven biển đầu tiên của Đà Nẵng
Lễ hội Đổi mới sáng tạo SƠN TRÀ 2026: Công nghệ toàn cầu hội ngộ cộng đồng địa phương
Singapore ủng hộ lời kêu gọi quốc tế về các biện pháp bảo vệ chặt chẽ hơn đối với AI tiên tiến
Thủ tướng Hàn Quốc cam kết chuẩn bị chu đáo để triển khai Trung tâm AI Toàn cầu