Giấc mơ đẹp về xăng từ... lá

Mơ đến ngày dùng hydro thay thế xăng dầu

Năng lượng mặt trời rất phong phú trong tự nhiên, nhưng chỉ có công nghệ như pin mặt trời, làm nước nóng. Còn việc chuyển hydro từ nước biển và năng lượng mặt trời thành nhiên liệu thay xăng dầu hiện có nhóm ở Tokyo và nhiều trung tâm nghiên cứu lớn đi theo hướng nghiên cứu này, nhưng chưa đi đến kết quả cuối cùng. Có một nhóm nghiên cứu đã tạo ra lá nhân tạo hiệu suất 30% nhưng giá quá đắt nên không có khả năng ứng dụng trong công nghiệp. Bởi vấn đề của năng lượng không chỉ là hiệu suất mà còn giá cả.

Lá nhân tạo (dựa theo cơ chế tổng hợp quang hóa tự nhiên của lá cây xanh) là một thiết bị có khả năng chuyển hoá năng lượng mặt trời thành năng lượng hoá học tích trữ trong nhiên liệu H2 (273KJ/mol H2) thông qua quá trình quang phân tách nước biển. Nhiên liệu H2 sau đó được lưu trữ, vận chuyển và sử dụng trong pin nhiên liệu. Sản phẩm của quá trình sử dụng nhiên liệu này chỉ là H20. Đặc biệt, công nghệ này không hề gây ô nhiễm môi trường. Thiết bị này là kết quả nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Quang Liêm (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam) và TS Trần Đình Phong (Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam).

TS Trần Đình Phong chia sẻ: "Với chúng tôi, nghiên cứu này là giấc mơ đẹp, nó xứng đáng để cố gắng hết mình. Tuy nhiên, chúng tôi cũng không dám vỗ ngực rằng đây chính là nhiên liệu thay thế hoàn toàn xăng dầu. Bởi mức độ thành công hiện mới chỉ dừng ở phòng thí nghiệm và cần được nghiên cứu sâu thêm nữa. Vì là nghiên cứu cơ bản nên không thể ngay lập tức có được kết quả để ứng dụng, nhưng có thể cung cấp hiểu biết nhất định để làm các nghiên cứu tiếp theo. Phiên bản lá nhân tạo đầu tiên được làm ra có khả năng sản xuất hydro từ nước biển và năng lượng mặt trời hiệu suất là 3%. Để đạt ngưỡng công nghệ đưa vào sản xuất năng lượng cần ít nhất 10%. Thời gian tới chúng tôi tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng được yêu cầu 10%. Hy vọng không quá xa sẽ tạo được chiếc lá nhân tạo”.

Theo TS Trần Đình Phong, lá nhân tạo là sản phẩm nghiên cứu khoa học thành công, nhưng để hiện thực hóa ước mơ tìm ra nguồn năng lượng thực sự sạch, là chặng đường dài phía trước. Hiện tại, các nhà khoa học đang tiếp tục nỗ lực để làm ra sản phẩm với hiệu suất cao hơn, tích hợp ứng dụng thử nghiệm trên thực tế để đánh giá kết quả. Chiếc lá nhân tạo đầu tiên này có khả năng làm việc ít nhất 10h. Lá được chế tạo dễ dàng với lượng lớn các vật liệu dễ kiếm trong tự nhiên như Si, Co, W, Mo.

Quan trọng là chất xúc tác

Một lá nhân tạo bao gồm hai phần chính là chất hấp thụ ánh sáng mặt trời và xúc tác cho quá trình phân li nước tạo hydro và oxy. Hoạt động của chất xúc tác ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc chung của lá nhân tạo. Bởi vậy, càng tìm được các chất xúc tác có khả năng hoạt động mạnh, bền và dễ chế tạo càng tốt. Muốn làm được như vậy thì việc hiểu được cấu trúc và cơ chế hoạt động của a-MoSx - xúc tác thuộc hàng tốt nhất hiện nay, là một tiền đề quan trọng cho các bước phát triển tiếp theo.

“Trong quá trình thực hiện, chúng tôi đã gặp một số hiện tượng rất bất ngờ so với dự đoán ban đầu. Ví dụ, nghiên cứu của các nhóm khác chỉ ra rằng, khi mang hạt nano vàng lên trên các xúc tác, trong đó có xúc tác MoS2, hoạt tính xúc tác sẽ tăng lên đáng kể, gợi ý cho chúng tôi khả năng tương tự với MoSx. Tuy nhiên, khi nghiên cứu, chúng tôi thấy bản thân hạt nano vàng đã có hoạt tính cực tốt, thành ra việc các chất xúc tác khác mang chúng chỉ làm tăng số lượng xúc tác chứ không có tác dụng kích thích các chất xúc tác khác hoạt động nhanh hơn như các công bố cả về lí thuyết và thực nghiệm trước đó”, TS Trần Đình Phong chia sẻ.

Các chất xúc tác MoS, MoSe... mới chỉ đảm bảo được một nửa của quá trình xúc tác phân tách nước, tức là quá trình tạo hydro.Với nửa còn lại là oxy hóa nước để tạo oxy cũng cần một chất xúc tác tốt. Chúng tôi đã tìm được một dung dịch, mà trong phòng thí nghiệm vẫn gọi đùa với nhau là “dung dịch ma thuật” – dung dịch có thể tạo được cả xúc tác tạo hydro và xúc tác tạo oxy chỉ bằng sự thay đổi điều kiện điện phân.

Thành công và thất bại là 50-50
TS Trần Đình Phong cho biết, hiện nay đang có nhiều trung tâm lớn trên thế giới thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực này. Có khá nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong vài năm qua nhưng con đường đi tới công nghệ dùng nhiên liệu H2 thay thế xăng dầu còn rất xa. Cũng có lúc, bên lề các hội thảo quốc tế, những người làm nghiên cứu tự hỏi nhau liệu chúng tôi có đang “mơ” một giấc mơ quá lớn hay không?

“Có thể, trong tương lai khi chiếc lá nhân tạo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sản xuất công nghiệp được chế tạo thành công thì một công nghệ khác ưu việt hơn được phát triển và ứng dụng. Tôi muốn nói rằng, những người làm nghiên cứu, dù có cho mình một định hướng ứng dụng thật lớn, thật hoàn hảo thì cũng hiểu rằng con đường đi tới nó nhiều khi không hẹn trước và chúng tôi cũng chuẩn bị cho mình tinh thần của người không thành công”, TS Trần Đình Phong chia sẻ.

Hành trình nghiên cứu khoa học là chặng đường nhiều cảm xúc. Có khi làm mãi vẫn thất bại, nhưng có khi bất chợt, phát hiện ra điều gì đó, lại thành công lớn. TS Trần Đình Phong ví dụ, có những phát minh được đưa ra một cách hoàn toàn bất ngờ không được chuẩn bị. Điện cực Clark để đo nồng độ O2 trong máu là một ví dụ như vậy. Nó được Leland Clark, một nhà hóa học tại Ohio Mỹ phát triển năm 1953 khi ông đang mải miết chế tạo các máy tạo O2 phục vụ cho các ca mổ tim. Nó được phát triển khi các nghiên cứu của Clark về máy tạo O2 bị từ chối nhận công bố vì ông đã không thể đo được nồng độ O2 trong máu sau khi chạy qua chiếc máy của mình. Nhờ điện cực Clark đó chiếc máy đo đường trong máu đầu tiên được phát minh sau đó, vào năm 1962. Những phát kiến kể trên hoàn toàn ngoài mong muốn ban đầu của Clark. 

Bao lâu nữa sẽ có lá nhân tạo? Theo TS Trần Đình Phong thì nhóm vẫn đang cố gắng hoàn thiện chiếc lá này theo hướng làm tăng hiệu suất. Ý tưởng của chúng tôi là nếu không thể làm việc trong nhiều giờ thì lá phải có khả năng tự sửa chữa khi hỏng. Ai làm nghiên cứu cũng mong muốn những nghiên cứu của mình có ảnh hưởng, có đóng góp quan trọng cho cộng đồng. Nhưng với điều kiện hiện nay, chúng tôi chỉ cố gắng chắt chiu những gì mình có để xây dựng được nhóm nghiên cứu tốt nhất có thể.

“Mục tiêu của chúng tôi luôn là năm sau làm được những nghiên cứu khó hơn năm nay, có nhiều người giỏi hơn năm nay và có nhiều hợp tác tốt hơn cho những nghiên cứu tham vọng hơn. Và tất nhiên, có công bố hoặc có sản phẩm nghiên cứu tốt hơn năm nay”.

TS Trần Đình Phong