Khai thác thời tiết nóng ẩm để tạo tài nguyên

Khai thác độ ẩm môi trường như nguồn tài nguyên

Độ ẩm tương đối ảnh hưởng đến cách cơ thể cảm nhận nhiệt độ, khiến cho những ngày nóng nực có cảm giác nóng hơn do mồ hôi bốc hơi mất nhiều thời gian hơn. Duy trì sự thoải mái trong điều kiện độ ẩm cao chiếm gần 40% tổng chi tiêu của quốc gia. Với nhu cầu năng lượng toàn cầu đang lên đến đỉnh điểm, nhu cầu bức thiết ngày nay cần phát triển một kỹ thuật thay thế, bền vững và ít tốn năng lượng hơn để duy trì điều kiện sống thoải mái về nhiệt độ môi trường.

Độ ẩm được coi là một nguồn tài nguyên dư thừa, nhưng trong bài báo gần đây  trên tạp chí Vật liệu tiên tiến (Advanced Materials), GS Swee Ching Tan và các đồng nghiệp từ Đại học Quốc gia Singapore giới thiệu một giải pháp tự duy trì sự ổn định để chống lại vấn đề nhiệt độ cơ thể tăng cao.

Lấy cảm hứng từ một số loài động thực vật trong tự nhiên khi phát hiện ra khả năng thu nước độc đáo, đảm bảo sự sống còn trong môi trường độ ẩm và nhiệt độ cao, nhóm nghiên cứu phát triển những vật liệu nhằm khai thác độ ẩm môi trường như một nguồn tài nguyên tiềm năng. 

Hấp thụ hơi nước trong khí quyển cho phép hút ẩm hiệu quả những không gian kín, tích hợp những chất bán dẫn quang xúc tác với các chất hỗ trợ hydrogel để tạo ra năng lượng từ không khí ẩm, tương tự  như quá trình quang hợp ở thực vật. Giải pháp này là một phương pháp hướng tới sự thoải mái trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao với chi phí năng lượng bằng không.

Cách tiếp cận này liên quan đến việc tích hợp một hydrogel siêu hút ẩm, có khả năng hấp thụ một lượng nước khổng lồ từ không khí ẩm xung quanh với các hạt nano xúc tác bán dẫn giúp tách nước hấp thụ được. Các nhà khoa học đã tìm được hai phiên bản hydrogel siêu hút ẩm trên cơ sở kẽm và coban. 

Cả hai hydrogel đều có khả năng khát cực lớn trong độ ẩm không khí, những polymer này có khả năng hấp thụ nước từ không khí ẩm lớn hơn bốn lần trọng lượng. 

Nhóm nhà khoa học sử dụng một loại vật liệu bán dẫn hoạt tính ánh sáng, sử dụng đồng để tổng hợp các hạt nano Cu2O,  có khả năng phá vỡ các phân tử nước hấp thụ được để hình thành hydro và oxy. Những hạt nano được phân bổ trên toàn bộ ma trận hydrogel để phát triển một hệ thống lai ghép (hấp thụ và phân tách).

TS Tan, một trong những nhà khoa học tham gia nghiên cứu cho biết: “Điều thú vị là trong các hạt nano Cu2O, tồn tại một điện trường phân cực tích hợp giữa hai mặt phẳng tinh thể khi được chiếu xạ bằng ánh sáng. Điện trường tích hợp này có nhiệm vụ phá vỡ các phân tử nước hấp thụ được.

Hydrogel siêu hút ẩm

Các nhà khoa học Singapore đã sử dụng kỹ thuật tinh thể mặt phẳng để tinh chỉnh và tăng cường quá trình phân tách hơi ẩm của các hạt nano bằng cách tích hợp với bari titanate (BaTiO 3 hoặc BTO) nhằm tăng diện tích tiếp xúc. Nhờ đó điện trường tích hợp của các hạt nano được tăng cường bởi các hạt BTO, khiến quá trình phân tách hơi nước và truyền điện tích hiệu quả cao hơn. 

Nhóm nghiên cứu tạo ra một hệ thống lai, trong đó hydrogel kết hợp với hạt nano Cu2O và BaTiO3, Cu2O được thiết kế để có hai mặt phẳng tinh thể khác nhau là (100) và (111).

Các mặt phẳng này có điện thế bề mặt khác nhau và tạo thành một điện trường phân cực 2,3 kV cm -1 hoạt động trên lưỡng cực. Nhờ có điện trường này, lưỡng cực chuyển hướng hỗ trợ các phân cực dương và âm trên các mặt phẳng (100) và (111), tăng cường động lực oxy hóa khử hơi nước trên các mặt phẳng (100) và (111).

Hydrogel siêu hút ẩm trên cơ sở kẽm / coban hấp thụ hơi nước ẩm từ môi trường xung quanh. Hệ thống lai hydrogel tích hợp Cu2O @ BaTiO3, được sử dụng để hút ẩm không khí, có thể phân tách 36,5 mg nước chỉ cần sử dụng 150 mg hydrogel đồng thời tạo ra dòng quang điện là 224.3 µA cm2 với công suất nguồn sáng 10 mW cm2.

Sử dụng hệ thống lai Hydrogel và các hạt nano Cu2O và BaTiO3 phân tách hơi ẩm không khí và tạo điện quang. Ảnh Advanced Science News

TS Tan nhận xét: Hệ thống này cho thấy tính hiệu quả cao và tự hoạt động, hút ẩm trong các không gian kín. Nguyên nhân chính là sự hấp thụ độ ẩm từ không khí ẩm và phân tách các phần tử nước hấp thụ được diễn ra song song. Sự hiện diện của các hạt nano hoạt động bằng ánh sáng ngăn cản hydrogel đạt đến độ bão hòa trong hấp thụ nước.

Hiện nay, cuộc sống của mọi người trên toàn thế giới phụ thuộc vào điều hòa không khí và nhu cầu một không gian có độ ẩm và nhiệt độ dễ chịu ngày càng tăng, dẫn đến sự gia tăng lớn về tiêu thụ năng lượng và tăng cường khí thải nhà kính toàn cầu. Hệ thống chất hút ẩm mới này, tự sản sinh ra hydro và oxy, kết hợp với một chiếc quạt có thể giảm bớt đáng kể sự khó chịu do nhiệt gây ra bởi độ ẩm cao trong một ngôi nhà hoặc phòng họp lớn, đóng góp cho môi trường xanh, sạch hơn.