Quá trình tách nước bằng quang xúc tác chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành hydro có thể lưu trữ nhưng thường cần nước tinh khiết và đất để lắp đặt nhà máy, đồng thời tạo ra nhiệt thải không sử dụng được. Với nước là nguồn tài nguyên quý giá, thiết bị xúc tác quang sử dụng bất kỳ nguồn nước chưa qua xử lý nào như sông, biển, hồ chứa nước hoặc nước thải công nghiệp sẽ là lựa chọn bền vững hơn.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp đã tạo ra một thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời có khả năng sản xuất đồng thời nhiên liệu hydro sạch và nước uống sạch từ nước hoặc nước biển bị ô nhiễm.

Chanon Pornrungroj, tác giả chính nghiên cứu cho biết: “Việc kết hợp sản xuất nhiên liệu mặt trời và nước trong một thiết bị duy nhất là rất khó khăn. Việc tách nước bằng năng lượng mặt trời, trong đó các phân tử nước bị phân hủy thành hydro và oxy, cần phải bắt đầu bằng nước hoàn toàn tinh khiết vì bất kỳ chất gây ô nhiễm nào cũng có thể gây độc cho chất xúc tác hoặc gây ra phản ứng phụ hóa học không mong muốn".

Các nhà nghiên cứu muốn mô phỏng khả năng quang hợp của thực vật nhưng không giống như các thiết bị trước đây sản xuất nhiên liệu hydro xanh từ nguồn nước sạch, họ muốn thiết bị của mình sử dụng nước bị ô nhiễm, giúp thiết bị có thể sử dụng được ở những vùng khó tìm được nước sạch.

Các nhà nghiên cứu vừa tạo ra thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời, biến nước bẩn thành hydro sạch và nước sạch.

Ông Ariffin Mohamad Annuar, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Ở vùng sâu vùng xa hoặc đang phát triển, nơi nước sạch tương đối khan hiếm và cơ sở hạ tầng cần thiết để lọc nước không có sẵn, việc phân tách nước là vô cùng khó khăn. Một thiết bị có thể hoạt động bằng nước bị ô nhiễm có thể giải quyết cùng lúc hai vấn đề: nó có thể tách nước để tạo ra nhiên liệu sạch và có thể tạo ra nước uống sạch”.

Họ đặt chất xúc tác quang hấp thụ tia UV lên lưới carbon cấu trúc nano hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, một chất hấp thụ tốt cả ánh sáng và nhiệt, để tạo ra hơi nước được chất xúc tác quang sử dụng để tạo ra hydro. Lưới carbon xốp được xử lý để đẩy nước, giúp chất xúc tác quang nổi và giữ nó cách xa mặt nước bên dưới để các chất gây ô nhiễm không ảnh hưởng đến chức năng của nó. Ngoài ra, cấu hình này cho phép thiết bị sử dụng nhiều năng lượng mặt trời hơn.

“Quy trình sản xuất nhiên liệu mặt trời dựa trên ánh sáng chỉ sử dụng một phần nhỏ quang phổ mặt trời, còn rất nhiều quang phổ không được sử dụng”, ông Annuar nhấn mạnh.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một lớp hấp thụ tia cực tím màu trắng phía trên thiết bị nổi để sản xuất hydro thông qua quá trình tách nước. Phần ánh sáng còn lại trong quang phổ mặt trời được truyền xuống đáy thiết bị, làm bay hơi nước. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều này mô phỏng chặt chẽ hơn sự thoát hơi nước, quá trình chuyển động của nước qua cây và sự bốc hơi của nó từ các bộ phận trên không như lá, thân và hoa.

Ông Pornrungroj cho hay: “Chúng tôi đang tận dụng ánh sáng tốt hơn, chúng tôi thu được hơi để sản xuất hydro và phần còn lại là hơi nước. Bằng cách này, chúng tôi thực sự bắt chước một chiếc lá thật vì giờ đây chúng tôi đã có thể kết hợp quá trình thoát hơi nước".

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị của họ bằng cách sử dụng nguồn nước mở trong thế giới thực, bao gồm nước từ sông Cam ở trung tâm Cambridge và chất thải công nghiệp đục từ ngành công nghiệp giấy. Trong nước biển nhân tạo, thiết bị giữ được 80% hiệu suất ban đầu sau 154 giờ. Các nhà nghiên cứu cho biết do chất xúc tác quang được tách khỏi các chất gây ô nhiễm trong nguồn nước và tương đối khô nên thiết bị có thể duy trì hoạt động ổn định.

Pornrungroj cho biết: “Nó có khả năng chịu đựng các chất ô nhiễm rất tốt và thiết kế nổi cho phép chất nền hoạt động trong nước đục hoặc bùn. Đó là một hệ thống rất linh hoạt". Các nhà nghiên cứu cho biết thiết bị của họ có khả năng giải quyết các vấn đề về tính bền vững và nền kinh tế tuần hoàn.