Hydro là nguyên liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ pin nhiên liệu cho phương tiện giao thông đến sản xuất amoniac, tinh luyện kim loại và chế tạo nhựa.
Nghiên cứu do Kyriakos Stylianou thuộc Trường Khoa học của Đại học Bang Oregon (Oregon State University – OSU) dẫn dắt. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại chất xúc tác quang có khả năng sản xuất hydro với tốc độ nhanh và hiệu suất cao. Theo Stylianou, chất xúc tác là chất có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không bị biến đổi vĩnh viễn trong quá trình phản ứng. Chất xúc tác quang hoạt động theo nguyên lý tương tự, nhưng được kích hoạt nhờ ánh sáng. Khi hấp thụ ánh sáng, vật liệu chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn và sử dụng nguồn năng lượng này để thúc đẩy các phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Journal of the American Chemical Society. Theo Stylianou, phát hiện này có thể bổ sung một hướng tiếp cận mới giúp các nhà khoa học giảm phát thải khí nhà kính và ứng phó với biến đổi khí hậu.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào vật liệu khung hữu cơ kim loại, thường được gọi là MOF (metal-organic framework). Đây là nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể với nhiều lỗ xốp, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh cấu trúc để phục vụ những mục đích khác nhau. MOF được hình thành từ các ion kim loại mang điện tích dương, liên kết với những phân tử hữu cơ đóng vai trò như các cầu nối. Hệ thống lỗ xốp kích thước rất nhỏ cùng cấu trúc có thể tùy chỉnh giúp vật liệu này sở hữu nhiều đặc tính hữu ích cho các ứng dụng khoa học và công nghiệp.
Về mặt lý thuyết, có thể tồn tại hàng triệu cấu trúc MOF khác nhau. Đến nay, các nhà nghiên cứu hóa học đã tổng hợp được gần 100.000 cấu trúc, trong khi đặc tính của khoảng 500.000 cấu trúc khác đã được dự đoán.
Trong nghiên cứu lần này, nhóm khoa học tập trung vào một loại MOF có tên BVR-19. Vật liệu này chứa một liên kết đặc biệt giữa hai nguyên tử lưu huỳnh. Khi tiếp xúc với ánh sáng, liên kết tạm thời bị phá vỡ, tạo ra các dạng lưu huỳnh có hoạt tính hóa học cao. Chính cơ chế này giúp vật liệu tham gia vào quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng phục vụ phản ứng tạo hydro.
Stylianou cho biết điểm khác biệt của phương pháp nằm ở vai trò của thành phần hữu cơ trong vật liệu.
“Thành phần hữu cơ mới là yếu tố thực hiện công việc quan trọng. Thay vì chủ yếu dựa vào các nguyên tử kim loại, vật liệu của chúng tôi sử dụng những cấu phần hữu cơ chứa lưu huỳnh để thu nhận năng lượng ánh sáng và chuyển electron đến vị trí cần thiết nhằm tạo ra hydro”, ông giải thích.
Theo nhà nghiên cứu, cách tiếp cận này mở ra một hướng thiết kế vật liệu mới, trong đó các thành phần hữu cơ không chỉ đóng vai trò tạo khung cấu trúc mà còn trực tiếp tham gia vào quá trình chuyển đổi năng lượng. Một ưu điểm đáng chú ý là BVR-19 không cần bổ sung chất xúc tác kim loại đắt tiền. Điều này có thể giúp đơn giản hóa thiết kế các hệ thống sản xuất hydro bằng ánh sáng trong tương lai, đồng thời tạo cơ hội giảm chi phí vật liệu. Ngoài ra, BVR-19 có thể tự hình thành trong dung dịch nước ở nhiệt độ phòng. Đặc tính này giúp giảm nhu cầu năng lượng trong quá trình chế tạo vật liệu.
Sản xuất hydro bằng cách tách nước nhờ chất xúc tác có tiềm năng thân thiện với môi trường hơn phương pháp sản xuất hydro công nghiệp phổ biến hiện nay, vốn sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu. Phương pháp truyền thống này được gọi là cải tạo hơi nước từ methane. Trong quá trình sản xuất, methane phản ứng với hơi nước để tạo ra hydro, đồng thời giải phóng khí carbon dioxide (CO₂).
Trong khi đó, nhiều công nghệ sản xuất hydro từ nước hiện nay sử dụng phương pháp xúc tác điện hóa, tức dùng điện để thúc đẩy phản ứng hóa học. Tuy nhiên, lợi ích môi trường của phương pháp này phụ thuộc đáng kể vào nguồn điện được sử dụng.
Nếu điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, lượng phát thải phát sinh có thể làm giảm lợi ích khí hậu của hydro. Vì vậy, để hydro xanh vừa bền vững vừa có khả năng cạnh tranh về kinh tế, nguồn điện cần đến từ các nguồn năng lượng tái tạo có chi phí thấp.
Theo số liệu được nêu trong nghiên cứu, chi phí sản xuất hydro bằng phương pháp cải tạo hơi nước từ methane hiện vào khoảng 1,50 USD/kg, trong khi hydro xanh có giá khoảng 5 USD/kg. Như vậy, hydro xanh vẫn có chi phí cao hơn đáng kể so với hydro sản xuất từ khí tự nhiên. Đây là một trong những thách thức lớn đối với việc mở rộng ứng dụng hydro xanh trong công nghiệp và giao thông vận tải.
Theo Stylianou, nghiên cứu mới có thể cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế những vật liệu hiệu quả hơn, qua đó góp phần giảm chi phí sản xuất hydro xanh. Bằng cách thay đổi thành phần kim loại trong vật liệu MOF nhưng giữ các thành phần còn lại gần như không đổi, nhóm nghiên cứu đã xác định được nguyên nhân khiến một số biến thể hoạt động hiệu quả hơn những biến thể khác.
Kết quả này giúp làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc vật liệu và hiệu suất xúc tác, đồng thời đưa ra những nguyên tắc thiết kế mới nhằm phát triển vật liệu phục vụ sản xuất nhiên liệu bằng năng lượng Mặt Trời.
Dù vậy, việc phát triển một vật liệu có khả năng tạo hydro hiệu quả trong phòng thí nghiệm chưa đồng nghĩa với việc công nghệ đã sẵn sàng để ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Khả năng mở rộng sản xuất, độ bền của vật liệu, hiệu suất chuyển đổi năng lượng và chi phí vận hành vẫn là những yếu tố cần được đánh giá thêm. Nếu các thách thức này được giải quyết, công nghệ xúc tác quang dựa trên MOF như BVR-19 có thể trở thành một hướng nghiên cứu đáng chú ý trong nỗ lực phát triển nhiên liệu sạch, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cắt giảm phát thải carbon trong tương lai.
