Lá nhân tạo sản xuất năng lượng từ nước ô nhiễm

Một đặc điểm mới đã được thêm vào “lá nhân tạo” thật đầu tiên của thế giới, làm thiết bị này phù hợp hơn để cung cấp cho người dân sinh sống tại các nước đang phát triển và các khu vực hẻo lánh với nguồn điện, các nhà khoa học đã báo cáp tại New Orleans vào ngày 8/4. Nó làm lá nhân tạo có khả năng tự hàn gắn các tổn hại xảy ra trong quá trình sản xuất năng lượng.

Tiến sĩ Daniel G. Nocera đã mô tả thành công này tại Hội nghị và triển lãm quốc gia lần thứ 245 của Hiệp hội Hóa học Mỹ (American Chemical Society).

Nocera, trưởng nhóm nghiên cứu, đã cho biết “lá nhân tạo” bắt chước khả năng của lá thật để sản xuất năng lượng từ ánh sáng mặt trời và nước. Tuy nhiên, thiết bị này không phải là một bản tái tạo lại cấu trúc phức tạp của cơ chế quang hợp ở lá thật, nó thật ra là một màng silicon được phủ chất xúc tác. Được nhúng trong một bình nước và được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các chất xúc tác trong thiết bị này sẽ phá hủy nước thành các thành phần của nó là hydro và oxy. Những bong bóng khí thoát ra từ thiết bị này sẽ được thu lại và sử dụng như một loại nhiên liệu để sản xuất ra điện trong các pin nhiên liệu.

“Thật ngạc nhiên, một số xúc tác chúng tôi đã phát triển để dùng trong các thiết bị lá nhân tạo này thực sự có thể tự hàn gắn chúng”, Nocera nói. “Chúng là một loại “xúc tác sống”. Đây là một phát hiện mới giúp làm bớt căng tẳng về một trong những mối quan tâm về việc sử dụng ban đầu của lá nhân tạo tại các nước đang phát triển và các vùng hẻo lánh khác".

Nocera, giáo sư Patterson Rockwood về năng lượng tại trường Đại học Harvard, giải thích rằng các lá nhân tạo dường như có thể có ứng dụng lần đầu trong việc cung cấp điện “cá nhân hóa” cho các ngôi nhà riêng tại các khu vực thiếu các trạm phát điện và hệ thống dây tải điện truyền thống. Chưa đầy một lít nước sẽ đủ để cung cấp khoảng 100 wat điện trong vòng 24h một ngày. Phiên bản lá nhân tạo trước đó cần nước tinh khiết để hoạt động vì sau đó, vi khuẩn sẽ hình thành các màng sinh học trên bề mặt của lá làm quá trình sản xuất bị ngừng lại.

“Tự hàn gắn cho phép các lá nhân tạo chạy trên các nguồn nước bị nhiễm khuẩn và không sạch tìm thấy trong tự nhiên”, Nocera cho biết. Chúng tôi đã tìm ra cách để điều chỉnh các điều kiện, vì vậy mà một phần của chất xúc tác rơi ra, ngăn chặn vi khuẩn tiếp cận với bề mặt trơn của lá để hình thành lên màng sinh học. Sau đó chất xúc tác có thể hàn lại và tái lập.

Nocera cho biết hiện nay có khoảng 3 tỷ người sinh sống trong các khu vực không được tiếp cận với các hệ thống phân phối và sản xuất điện truyền thống. Số lượng đó sẽ tăng thêm hàng tỷ nữa trong các thập kỷ tới. Khoảng 1 tỷ người sống tại thế giới đang phá triển không được tiếp cận với nước sạch. Do đó, một nhu cầu tồn tại đó là một thiết bị giống như chiếc lá nhân tạo này tương thích với các điều kiện địa phương.

“Giống như là cung cấp nămg lượng dạng “fast food””, Nocera nói. “Chúng tôi quan tâm đến việc tạo ra nhiều cái rẻ tiền, có thể không phải là hiệu quả nhất, nhưng có thể hoàn thành được công việc. Điều này giống như việc đi từ những chiếc máy tính lớn tới chiếc máy tính xách tay cá nhân. Đây là năng lượng cá nhân hóa”.

Những thiết bị trước đây đã dùng các kim loại đắt tiền, hiếm và các vật liệu khác, gồm các hệ thống dây điện phức tạp và chi phí sản xuất lớn. Ngược lại, lá nhân tạo của Nocera sử dụng các vật liệu rẻ hơn và kết hợp một thiết kế - cũng được gọi là “mối nối bị chôn vùi” - là đơn giản và có thể không đắt để sản xuất hàng loạt. Và lá nhân tạo có lợi thế thông qua các tấm năng lượng mặt trời. Các tấm này thường đắt và chỉ sản xuất được năng lượng vào ban ngày. Hydro và oxy của lá nhân tạo, ngược lại, có thể được giữ lài và sử dụng vào ban đêm.

“Nhiều nhà nghiên cứu đang thiết kế các thiết bị sản xuất năng lượng đắt tiền và phức tạp, và khó thấy chúng được áp dụng trên quy mô lớn”, ông cho biết. “Thiết bị của chúng tôi đơn giản, rẻ hơn và nó hoạt động. Và với điều đó, tôi nghĩ chúng tôi đang thay đổi câu chuyện trong lĩnh vực này”.

Ưu tiên hàng đầu của nhóm nghiên cứu là phát triển thiết bị này để tích hợp với công nghệ chuyển đổi hydro thành một loại nhiên liệu lỏng có thể sử dụng để chạy các máy phát điện truyền thống hoặc thậm chí dùng để chạy xe ô tô.

Nocera nhận sự tài trợ của Quỹ khoa học Quốc gia (National Science Foundation), bộ Năng lượng và Văn phòng không quân nghiên cứu khoa học (Air Force Office of Scientific Research).

Từ khóa liên quan:

lá nhân tạo

sản xuất năng lượng

nước ô nhiễm

sản xuất năng lượng từ nước ô nhiễm

thiết bị lá nhân tạo

lá nhân tạo tự hàn gắn

năng lượng cá nhân hóa

Daniel G Nocera

Patterson Rockwood