Những nỗ lực trước đây nhằm sử dụng năng lượng của Mặt trời để phân tách các phân tử nước. Quá trình này yêu cầu các photon năng lượng cao cắt đứt liên kết giữa các nguyên tử hydro và oxy của nước. Sóng ngắn hơn, và do đó có nhiều năng lượng hơn, các photon từ tia cực tím và ánh sáng có thể hoàn thành nhiệm vụ. Nhưng các photon hồng ngoại của Mặt trời, chiếm khoảng 50% trong số đó đến Trái đất, không đủ năng lượng.

Bộ tách nước năng lượng mặt trời cố gắng giải quyết vấn đề này bằng hai chiến lược. Cách đầu tiên và hiệu quả nhất là sử dụng thiết bị có tên gọi tế bào quang điện hóa (PEC). Chúng hơi giống pin, với hai điện cực được nhúng trong chất điện phân lỏng. Một điện cực hoạt động giống như pin mặt trời mini, hấp thụ ánh sáng mặt trời và sử dụng năng lượng để tạo ra điện tích. Điện tích này sau đó được đưa đến các chất xúc tác trên các điện cực để phân tách các phân tử nước và tạo ra khí hydro và khí oxy ở điện cực kia.

Các PEC tốt nhất có thể chuyển đổi gần một phần tư năng lượng ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hydro. Nhưng chúng sử dụng chất điện phân ăn mòn nhanh chóng phá vỡ chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng.

Chiến lược thứ hai, được gọi là tế bào quang xúc tác nguyên khối, loại bỏ thiết lập giống như pin và chỉ cần nhúng một chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng vào nước. Chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời và tạo ra các điện tích cung cấp cho các kim loại xúc tác trên bề mặt của nó, sau đó phân tách các phân tử nước. Nhưng vì hydro và oxy thu được được tạo ra ngay cạnh nhau nên chúng có thể dễ dàng phản ứng với nhau, tạo thành nước.

Điều đó đã hạn chế hiệu quả của các bộ tách nước tế bào quang xúc tác này chỉ chuyển đổi khoảng 3% năng lượng Mặt trời thành nhiên liệu hydro có thể sử dụng được. Một giải pháp thay thế đơn giản có thể làm cho chất bán dẫn lớn hơn, giống như các tấm pin mặt trời thông thường. Nhưng các chất bán dẫn có khả năng tách nước đắt hơn nhiều so với các tấm pin mặt trời silicon tiêu chuẩn, khiến cho lựa chọn đó trở nên quá tốn kém.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan đã điều chỉnh thiết bị tế bào quang xúc tác. Phía trên, họ đặt một ống kính có kích thước bằng cửa sổ ngôi nhà thông thường. Điều này tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ hơn 100 lần, cho phép  giảm kích thước và chi phí của chất bán dẫn tách nước. Sau đó, ánh sáng mặt trời gay gắt tạo ra các điện tích trong chất bán dẫn được truyền tới các chất xúc tác kim loại có kích thước nano thực hiện các phản ứng tách nước.

Nhóm nghiên cứu tăng nhiệt độ của nước được phân tách lên 70°C, điều này ngăn cản phần lớn khí hydro và khí oxy phản ứng với nhau để tái tạo nước. Phiên bản mới nhất của thiết bị không chỉ sử dụng các photon nhìn thấy và tia cực tím có thể tách nước mà còn sử dụng các photon hồng ngoại ít năng lượng hơn.

Các nhà khoa học chuyển đổi 9,2% năng lượng của Mặt trời thành nhiên liệu hydro, nhiều hơn khoảng ba lần so với các thiết lập xúc tác quang trước đây. Nghiên cứu được công bố  trên tạp chí Nature.

nhnhanh