Điện tử siêu âm có thể tạo ra nhiên liệu mặt trời tương lai

Các nhà nghiên cứu từ nhiều tổ chức, trong đó có Đại học Lund (Thụy Điển) đã tiến được một bước gần hơn nữa đến việc sản xuất nhiên liệu mặt trời sử dụng quang hợp nhân tạo.

Trong một nghiên cứu mới đây, các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi được sự di chuyển nhanh của các điện tử khi chúng đi qua một phân tử chuyển hóa ánh sáng.

Mục đích cuối cùng của nghiên cứu là để tìm ra một cách thức sử dụng ánh sáng mặt trời để chế tạo nhiên liệu từ nước. Đó cũng chính là điều mà quá trình quang hợp luôn thực hiện: cây cối chuyển đổi nước và điôxit cacbon thành các phân tử giàu năng lượng sử dụng ánh sáng mặt trời. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới vì thế đang cố gắng sử dụng ý tưởng từ quá trình quang hợp để tìm kiếm một phương pháp sản sinh nhiên liệu mặt trời theo cách nhân tạo.

Villy Sundstrom – GS Lý Hóa tại Đại học Lund cho biết, mục đích của nghiên cứu là làm thế nào để tạo ra một phân tử trong đó sự chuyển hóa ánh sáng thành năng lượng hóa học xảy ra nhanh đến mức không có năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Điều đó có nghĩa là toàn bộ năng lượng trong ánh sáng được lưu giữ trong phân tử đó như một nguồn năng lượng hóa học.

Cho đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác trong pin năng lượng mặt trời và các bộ thu nhiệt mặt trời. Pin năng lượng mặt trời chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng và các bộ thu nhiệt mặt trời chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng. Tuy nhiên, việc sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời, ví dụ như dưới dạng khí hiđrô hay methanol đòi hỏi công nghệ hoàn toàn khác. Ý tưởng ở đây là có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để chiết tách được các điện tử từ nước và sử dụng chúng để chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành các phân tử giàu năng lượng, là thành phần của nhiên liệu mặt trời.
“Một tế bào nhiên liệu mặt trời có thể thực hiện được điều này là một cỗ máy phức tạp bao gồm các phân tử thu nhận ánh sáng và chất xúc tác”, Villy Sundstrom cho biết.

Trong công trình nghiên cứu này, GS Sundstrom và các cộng sự của ông đã phát triển và nghiên cứu một phân tử đặc biệt có thể được coi như một mô hình về các phản ứng hóa học có thể khai thác trong một tế bào nhiên liệu mặt trời. Phân tử đó bao gồm hai tâm kim loại, một thu nhận ánh sáng và một đóng vai trò xúc tác là nơi nhiên liệu mặt trời được  tạo ra. Các nhà nghiên cứu đã có thể đánh dấu chi tiết được đường đi của các điện tử xuyên qua phân tử đó. Họ đã đo được thời gian một điện tử di chuyển qua chiếc cầu nối giữa hai nguyên tử kim loại trong một phân tử. Thời gian đó mất một nửa pico giây, hay một nửa  của một phần nghìn tỷ giây.

Nếu ở điều kiện thực thì điều đó có nghĩa là các điện tử đã “bay” xuyên qua phân tử với vận tốc khoảng 4 km/giây, lớn hơn gấp 10 lần vận tốc âm thanh, các nhà khoa học cho biết.
Các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên về vận tốc cao đó. Một khám phá ngạc nhiên khác nữa đó là vận tốc này tỏ ra phụ thuộc cao vào kiểu dạng cầu nối giữa các nguyên tử. Trong nghiên cứu này, vận tốc đạt được cao hơn gấp 100 lần so với một loại cầu khác được thử nghiệm.

Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã theo dõi được một phản ứng phức tạp và diễn ra nhanh đến như vậy, và họ đã phân biệt được tất cả các giai đoạn của phản ứng. Công trình nghiên cứu là kết quả của sự hợp nghiên cứu giữa Đại học Lund và một số trường đại học tại Đan Mạch, Đức, Hungary, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Việc đo lường được thực hiện tại Trung tâm kỹ thuật tia X laser electron tự do SACLA X-ray FEL, Harima, Nhật Bản, một trong số hai thiết bị FEL tia X duy nhất trên thế giới.

KH&CNVN-(Vista)