Trước đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Khoa học Nano vì Công nghệ Năng lượng (LNET) thuộc Khoa Kỹ thuật của EPFL đã công bố một nền tảng để nghiên cứu hiệu ứng thủy điện áp (hydrovoltaic – HV) — một hiện tượng cho phép thu hoạch điện năng khi chất lỏng đi qua bề mặt tích điện của một thiết bị nano. Nền tảng của họ bao gồm một mạng lưới hình lục giác gồm các cột nano silicon, với không gian giữa các cột tạo thành các kênh cho mẫu chất lỏng bay hơi.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu LNET, do Giulia Tagliabue dẫn đầu, đã phát triển nền tảng này thành một hệ thống thủy điện áp với công suất đầu ra tương đương hoặc vượt trội so với các công nghệ tương tự — nhưng với một lợi thế lớn hơn. Thay vì chỉ dựa vào nhiệt và ánh sáng để tăng cường sự bay hơi, hệ thống của EPFL tạo ra dòng điện bằng cách tận dụng nhiệt và ánh sáng để kiểm soát sự chuyển động của các ion trong nước muối đang bay hơi, và dòng chảy của các electron trong thiết bị nano silicon.
Nhà nghiên cứu Tarique Anwar của LNET giải thích: “Sự mất cân bằng về nhiệt và ánh sáng sẽ luôn ảnh hưởng đến một thiết bị thủy điện áp, nhưng chúng tôi đã khám phá ra cách tận dụng chúng để tạo lợi thế”.
Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm của Phòng thí nghiệm LNET. Nguồn: 2026 LNET EPFL CC BY SA
Với ba lớp riêng biệt dành cho quá trình bay hơi, vận chuyển ion và thu thập điện tích, thiết kế tách rời của thiết bị nano này cho phép các nhà khoa học quan sát và tinh chỉnh từng bước trong quy trình. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Khai thác một hiệu ứng tự nhiên
Thông thường, khi nói về tác động của nhiệt và ánh sáng đối với sự bay hơi, chúng ta hiểu rằng năng lượng nhiệt làm tăng tốc quá trình chuyển hóa của nước thành hơi. Các nghiên cứu trước đây đã tập trung vào hiệu ứng này để thu hoạch năng lượng HV, nhưng các nhà nghiên cứu của EPFL nhận ra rằng việc sản xuất năng lượng được tăng tốc mà họ quan sát được không chỉ do sự bay hơi.
Vì thiết bị nano của họ được làm từ chất bán dẫn silicon, các electron bên trong được kích thích bởi các photon từ ánh sáng mặt trời, trong khi nhiệt làm tăng các điện tích âm trên bề mặt của nó.
Đồng thời, sự bay hơi do nhiệt trong một lớp nước muối phía trên thiết bị nano khiến các ion dịch chuyển, tạo ra sự tách biệt giữa các điện tích dương và âm. Sự tách biệt điện tích này tại giao diện lỏng-rắn tạo ra một điện trường, thúc đẩy các electron đã được kích thích đi qua một mạch điện được kết nối, từ đó tạo ra dòng điện.
“Công trình của chúng tôi cho thấy rằng nhờ hiệu ứng điện tích bề mặt này, việc bổ sung ánh sáng mặt trời và nhiệt có thể tăng cường sản lượng năng lượng lên gấp 5 lần. Hiệu ứng tự nhiên này luôn tồn tại, nhưng chúng tôi là những người đầu tiên khai thác nó,” bà Tagliabue nói.
Nguồn điện liên tục và tự động
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng, bên cạnh hiệu điện thế và mật độ công suất cao (lần lượt là 1 V và 0,25 W/m²), hệ thống của họ còn mang lại lợi thế cho việc tạo ra điện năng liên tục và tự động.
“Trong các thiết bị HV, việc tăng cường hiệu suất thông qua nhiệt và ánh sáng sẽ gây ra sự xuống cấp vật liệu theo thời gian, đặc biệt trong điều kiện nước muối. Ngược lại, các cột nano trong thiết bị của chúng tôi được phủ một lớp oxit để đảm bảo hiệu suất ổn định dưới tác động của nhiệt và ánh sáng, và để bảo vệ chống lại các phản ứng hóa học không mong muốn,” bà Tagliabue cho biết.
Việc tách thiết bị thành ba lớp cũng cho phép nhóm nghiên cứu phát triển một mô hình để giải thích các quan sát của họ và tối ưu hóa công suất đầu ra bằng cách điều chỉnh cấu trúc cột nano và nồng độ muối.
Nhóm hiện đang phát triển các công cụ để thăm dò các hiện tượng này trong thời gian thực, đồng thời thử nghiệm với việc cung cấp nhiệt và ánh sáng thông qua một thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời.
Các nhà nghiên cứu tin rằng sáng kiến của họ sẽ thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị thủy điện áp, vốn có tiềm năng lớn trong việc cung cấp năng lượng cho các mạng lưới cảm biến nhỏ không cần pin ở bất cứ nơi nào có sẵn nước, nhiệt và ánh sáng mặt trời. Các ví dụ bao gồm các hệ thống giám sát môi trường tự cấp năng lượng, thiết bị đeo thông minh và các ứng dụng Internet vạn vật (IoT).
Share
