Các công nghệ năng lượng sạch đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu năng lượng gia tăng trong bối cảnh trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Tuy nhiên, nhiều công nghệ này lại có những hạn chế về hiệu suất thấp và chi phí cao. Các cơ chế hydrovoltaic (HV), trong đó điện được sản sinh thông qua tương tác trực tiếp giữa vật liệu có cấu trúc nano và các phân tử nước, gần đây đã nổi lên như giải pháp thay thế triển vọng và tiết kiệm chi phí. Các hệ thống HV có triển vọng đặc biệt trong việc cung cấp năng lượng cho các cảm biến điện, trong đó có cảm biến cháy.

Các cảm biến cháy truyền thống dựa vào pin để hoạt động trong thời gian mất điện, nhưng những loại pin này có thể phát nổ trong trường hợp hỏa hoạn. Ngược lại, các hệ thống HV lấy năng lượng từ nước, nơi thiết bị được ngâm một phần trong nước, khiến chúng trở thành giải pháp thay thế an toàn hơn. Ngoài ra, các cảm biến cháy truyền thống có những hạn chế như báo động giả do khói nấu ăn, hơi nước hoặc bụi, cùng với nhu cầu bảo trì cao và tuổi thọ hạn chế. Các hệ thống HV khắc phục những hạn chế này bằng cách chỉ phản ứng với những thay đổi do bốc hơi nước, chẳng hạn như thay đổi do hỏa hoạn gây ra. Mặc dù có tiềm năng, nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào khám phá ra việc tích hợp hệ thống HV vào các ứng dụng cảm biến cháy.

Trong một nghiên cứu gần đây do PGS. Byungil Hwang tại Đại học Chung-Ang dẫn đầu, các nhà khoa học đã chế tạo được thiết bị HV cải tiến có chức năng như một cảm biến cháy. Hệ thống HV có thể sản xuất tới vài chục microwatt điện, khiến nó hoàn hảo cho các ứng dụng quy mô nhỏ như máy dò cháy và hệ thống theo dõi sức khỏe. Hệ thống độc lập này hoạt động chỉ cần vài mililit nước và có thời gian phản hồi nhanh. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Chemical Engineering.

Hệ thống HV bao gồm các chất nền ưa nước, được phủ một lớp nano xốp có bề mặt tích điện cao với khả năng thu proton từ nước. Khi ngâm trong nước, các proton bị hút về bề mặt tích điện âm của cấu trúc nano, tạo thành lớp điện kép (EDL). EDL bao gồm hai lớp song song có điện tích trái dấu ở hai bên bề mặt, trong trường hợp này là cấu trúc nano của hệ thống HV. Hiện tượng bay hơi, do nhiệt độ tăng lên từ ánh sáng khả kiến ​​hoặc ánh sáng hồng ngoại hoặc lửa, đóng vai trò là lực đẩy, khiến nước chảy từ vị trí ngập nước sang vị trí khô ráo thông qua hoạt động của mao dẫn. Dòng nước này tạo ra sự bất đối xứng về mật độ proton, gây ra chênh lệch điện thế dọc theo hướng dòng chảy, được gọi là điện thế dòng chảy, sau đó có thể được khai thác để sản xuất điện.

Thiết bị trong nghiên cứu sử dụng bông thải kết hợp với Triton X-100 và PPy, được gọi chung là CPT để làm lớp nano xốp. Lớp CPT này được đặt vào một ống hình trụ có điện cực nhôm chống ăn mòn ở cả hai đầu, một phần trong số đó được ngâm trong nước. Màu đen của PPy giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và làm bay hơi nước ở đầu không ngập nước, trong khi Triton X-100 tạo ra điện tích bề mặt cao trong EDL, sinh ra điện áp cao. Thiết kế này cho phép sản sinh điện chỉ bằng cách chiếu sáng vào thiết bị.

Thử nghiệm cho thấy thiết bị có thể tạo ra điện áp tối đa 0,42 V và dòng điện 16 - 20 μA trong điều kiện ánh sáng hồng ngoại. Thiết bị cảm biến cháy có thời gian phản hồi nhanh dao động từ 5 -  10 giây. Hơn nữa, thiết bị duy trì độ ổn định tuyệt vời trong suốt 28 ngày thử nghiệm liên tục, không bị ăn mòn hoặc suy giảm hiệu suất, cho thấy khả năng tồn tại lâu dài. Thiết bị cũng hoạt động tốt trong nhiều môi trường khác nhau.

GS. Hwang lưu ý: “Đây là lần đầu tiên chứng minh việc sử dụng hệ thống HV trong ứng dụng cảm biến cháy. Hệ thống HV của chúng tôi có tiềm năng trở thành nguồn điện bền vững cho nhiều hệ thống cảm biến khác nhau như hệ thống giám sát sức khỏe và môi trường cần hoạt động liên tục”.

Thiết bị cải tiến này chứng minh cách các hệ thống năng lượng quy mô nhỏ bền vững có thể cách mạng hóa các ứng dụng như phát hiện cháy, theo dõi sức khỏe và cảm biến môi trường.

N.P.D (NASATI), theo Eurekalert, 2/2025