Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã thực hiện một khám phá khoa học tình cờ có khả năng cách mạng hóa cách phân hủy nước để giải phóng khí hydro – một nguyên tố quan trọng đối với nhiều quy trình công nghiệp.
>> Tham khảo: Photon nhỏ nhất thế giới trong vật liệu điện môi.
Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Xue Jun Min, Tiến sĩ Wang Xiaopeng và Tiến sĩ Vincent Lee Wee Siang từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc Đại học Thiết kế và Kỹ thuật NUS (NUS CDE) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng ánh sáng có thể kích hoạt một cơ chế mới trong cơ thể một vật liệu xúc tác được sử dụng rộng rãi trong quá trình điện phân nước, trong đó nước bị phân hủy thành hydro và oxy. Kết quả là một phương pháp thu được hydro tiết kiệm năng lượng hơn.
Bước đột phá này đạt được với sự cộng tác của Tiến sĩ Xi Shibo từ Viện Hóa chất, Năng lượng và Môi trường bền vững thuộc Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu (ASTAR); Tiến sĩ Yu Zhigen từ Viện Điện toán Hiệu năng Cao thuộc ASTAR; và Tiến sĩ Wang Hao từ Khoa Cơ khí thuộc NUS CDE.
PGS Xue cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng trung tâm oxy hóa khử cho phản ứng xúc tác điện được chuyển đổi giữa kim loại và oxy, được kích hoạt bởi ánh sáng. “Điều này phần lớn cải thiện hiệu quả điện phân nước.”
Phát hiện mới có khả năng mở ra các phương pháp công nghiệp mới và hiệu quả hơn để sản xuất hydro và đưa nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường này đến với nhiều người và nhiều ngành hơn.
>> Tham khảo: Loại gốm mới giúp chúng ta hít thở không khí sạch hơn.
PGS Xue và nhóm của ông đã trình bày chi tiết khám phá của họ trong một bài báo nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học Nature vào ngày 26 tháng 10 năm 2022.
Đột phá tình cờ
Trong những trường hợp bình thường, PGS Xue và nhóm của ông có thể đã không có được một khám phá đột phá như vậy. Nhưng một sự cố mất điện tình cờ của đèn trần trong phòng thí nghiệm của ông gần ba năm trước đã cho phép họ quan sát thấy một điều mà cộng đồng khoa học toàn cầu vẫn chưa làm được.
Trước đó, đèn trần trong phòng nghiên cứu của PGS Xue thường được bật trong 24 giờ. Một đêm năm 2019, đèn tắt do mất điện. Khi các nhà nghiên cứu quay lại vào ngày hôm sau, họ phát hiện ra rằng hiệu suất của vật liệu dựa trên niken oxyhydroxide trong thí nghiệm điện phân nước, vốn tiếp tục trong bóng tối, đã giảm mạnh.
PGS Xue cho biết: “Sự sụt giảm hiệu suất này trước đây chưa từng có ai nhận thấy, bởi vì chưa từng có ai thực hiện thí nghiệm trong bóng tối”. “Ngoài ra, các tài liệu nói rằng một vật liệu như vậy không nên nhạy cảm với ánh sáng; ánh sáng sẽ không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến các đặc tính của nó.”
Cơ chế xúc tác điện trong điện phân nước là một chủ đề được nghiên cứu rất kỹ, trong khi vật liệu dựa trên niken là vật liệu xúc tác rất phổ biến.
>> Tham khảo: Tìm hiểu những làn sóng bất thường của Biển Đông Địa Trung Hải.
Do đó, để chứng minh rằng họ sắp khám phá ra điều gì đó đột phá, PGS Xue và nhóm của ông đã bắt tay vào thực hiện nhiều thí nghiệm lặp đi lặp lại.
Họ đào sâu hơn vào cơ chế đằng sau một hiện tượng như vậy. Họ thậm chí còn lặp lại thí nghiệm bên ngoài Singapore để đảm bảo rằng những phát hiện của họ là nhất quán.
Ba năm sau, PGS Xue và nhóm của ông cuối cùng đã có thể chia sẻ công khai những phát hiện của họ trong một bài báo.
Bước tiếp theo
Với những phát hiện của họ, nhóm hiện đang nghiên cứu thiết kế một cách mới để cải thiện các quy trình công nghiệp để tạo ra hydro. PGS Xue đang đề xuất làm cho các tế bào chứa nước trở nên trong suốt, để đưa ánh sáng vào quá trình phân tách nước.
PGS Xue cho biết: “Điều này sẽ cần ít năng lượng hơn trong quá trình điện phân và việc sử dụng ánh sáng tự nhiên sẽ dễ dàng hơn nhiều”. “Có thể tạo ra nhiều hydro hơn trong một khoảng thời gian ngắn hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn.”
Các công ty thực phẩm sử dụng khí hydro để biến dầu và chất béo không bão hòa thành bão hòa, cung cấp cho chúng ta bơ thực vật và bơ.
Hydro cũng được sử dụng để hàn các kim loại lại với nhau, vì nó có thể tạo ra nhiệt độ cao 4.000 độ C. Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng khí này để loại bỏ hàm lượng lưu huỳnh khỏi dầu.
Hơn nữa, hydro có khả năng có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Từ lâu đã được quảng cáo là nhiên liệu bền vững, nhiên liệu hydro không tạo ra khí thải vì nó cháy khi phản ứng với oxy — không cần đánh lửa, khiến nó trở thành nguồn nhiên liệu sạch hơn và xanh hơn. Nó cũng dễ bảo quản hơn nên đáng tin cậy hơn so với pin năng lượng mặt trời.
>> Tham khảo: Mạch sinh học tổng hợp có thể phản hồi trong vòng vài giây.
PGS Xue rất vui vì những phát hiện từ nhóm các nhà nghiên cứu của ông có thể đóng góp cho khám phá khoa học. Ông cho rằng con đường phát triển khoa học không phải là tìm ra những cách mới để làm những gì đã làm, mà là không ngừng vượt qua các ranh giới.
“Chỉ thông qua việc tích lũy kiến thức mới, chúng ta mới có thể cải thiện xã hội một cách dần dần,” PGS Xue nói.
