Vật liệu rắn có thể lưu trữ và giải phóng hydro bằng ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED
L-HSi là một chất mang hydro rắn đầy triển vọng, có thể mở ra những khả năng mới cho việc lưu trữ hydro an toàn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng.
Hydro là một loại nhiên liệu đầy hứa hẹn có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống vì không phát thải carbon dioxide trong quá trình đốt cháy hoặc oxy hóa và có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau. Tuy nhiên, một nền kinh tế dựa trên hydro không chỉ đòi hỏi sản xuất sạch mà còn cả việc lưu trữ và vận chuyển hydro an toàn và hiệu quả. Các hệ thống hiện tại có một số nhược điểm: bình chứa hydro nén có mật độ hydro thấp và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ, trong khi bình chứa hydro lỏng đòi hỏi nhiệt độ cực thấp và năng lượng đáng kể. Amoniac là chất mang hydro lỏng nổi tiếng với mật độ hydro cao, nhưng quá trình khử hydro đòi hỏi nhiều năng lượng và đi kèm với các vấn đề như tính ăn mòn và độc tính. Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang nghiên cứu các vật liệu mang hydro ở thể rắn. Tuy nhiên, hầu hết các hợp kim thể rắn đều bao gồm các kim loại nặng và có khả năng chứa hydro theo trọng lượng hạn chế.
Một nhóm nghiên cứu ở Nhật Bản đã phát hiện ra một chất mang hydro ở thể rắn mới có tên hydro silicane nhiều lớp (L-HSi). Vật liệu này giải phóng hydro khi được chiếu xạ bằng các nguồn sáng nhìn thấy có cường độ thấp như ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED. Theo đó, hydro có thể được giải phóng từ L-HSi bằng cách chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy được ở nhiệt độ và áp suất môi trường. L-HSi đại diện cho một hướng nghiên cứu mới về hệ thống chất mang hydro, an toàn, nhẹ và tiết kiệm năng lượng, có tiềm năng ứng dụng thực tiễn.
L-HSi bao gồm silicon và hydro theo tỷ lệ 1:1 và thể hiện khả năng chứa hydro theo trọng lượng cao là 3,44% trọng lượng. Không giống như các hệ thống lưu trữ hydro thông thường, đây là chất mang hydro rắn ổn định có thể giải phóng hydro chỉ bằng cách tiếp xúc với các nguồn sáng cường độ thấp như ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED.
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp L-HSi thông qua quá trình khử canxi của CaSi2 trong phản ứng với HCl và thử nghiệm các đặc tính giải phóng hydro. Họ đặt bột L-HSi trong môi trường khí argon trong một lò phản ứng kiểu dòng khí và chiếu xạ bằng đèn xenon ở nhiệt độ và áp suất môi trường. Khoảng cách vùng cấm quang học của L-HSi là 2,13 eV, tương ứng với bước sóng 600 nm, hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Đèn được bật 10 phút sau khi thí nghiệm bắt đầu và tắt ở phút thứ 60. Trong quá trình chiếu xạ, các nhà nghiên cứu đã quan sát rõ ràng sự hình thành hydro dạng khí.
Các thử nghiệm gia nhiệt tiếp theo trong môi trường tối và phân tích quang phổ chi tiết đã xác nhận rằng sự giải phóng hydro không phải do quá trình quang nhiệt, mà thay vào đó, được thúc đẩy bởi sự kích thích vùng cấm của L-HSi. Cụ thể, hydro được giải phóng khi chiếu xạ bằng bước sóng dưới 600 nm. Vật liệu này cho thấy hiệu suất lượng tử tối đa là 7,3% ở bước sóng 550 nm.
Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành các thử nghiệm chiếu xạ dài hạn, trong đó L-HSi được phân tán trong môi trường hữu cơ bên trong lò phản ứng phân tán. Dưới tác động của ánh sáng nhìn thấy kéo dài, khoảng 46,7% nguyên tử hydro liên kết đã được giải phóng. Nhóm nghiên cứu cũng xác nhận rằng hydro có thể được sản xuất hiệu quả bằng cách sử dụng các nguồn sáng cường độ thấp, tiết kiệm, bao gồm ánh sáng mặt trời và đèn LED.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng đảo ngược và khả năng mở rộng quy mô cho các ứng dụng thực tế.
