Nghiên cứu vật liệu BiVO4 cấu trúc nano tách nước bằng phương pháp điện hóa (ĐH Quy Nhơn)

Nghiên cứu BiVO4 nano ứng dụng trong quang điện hóa tách nước, mở ra tiềm năng sản xuất hydro sạch, hiệu quả và bền vững. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Nguyễn Văn Minh
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Nhật Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu BiVO4 có cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa
• Loại tài liệu: Đề án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Định

Tóm tắt

I. BiVO4 Nano Tổng Quan Tiềm Năng Ứng Dụng Quang Điện Hóa

Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch và tái tạo. Năng lượng mặt trời là một lựa chọn dồi dào, có thể chuyển đổi thành điện, nhưng sự phụ thuộc vào thời tiết và chu kỳ ngày đêm tạo ra thách thức. Giải pháp là chuyển đổi năng lượng mặt trời và lưu trữ dưới dạng nhiên liệu hóa học, đặc biệt là hydrogen. Quang điện hóa tách nước (PEC) sử dụng các tế bào PEC để sản xuất hydrogen, là một phương pháp hiệu quả đang được nghiên cứu rộng rãi. Vật liệu bán dẫn BiVO4 với cấu trúc nano, pha đơn tà, độ rộng vùng cấm ~2,4 eV, vị trí biên dải dẫn và dải hóa trị phù hợp, tính ổn định hóa học tốt, đã trở thành vật liệu điện cực quang tiềm năng cho các tế bào PEC. BiVO4 không độc hại, bao gồm các nguyên tố dồi dào, khả thi cho sản xuất thương mại quy mô lớn, và đã được sử dụng trong ngành bột màu. Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Minh, đề tài “Nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu BiVO4 có cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa” tại trường Đại học Quy Nhơn, hướng đến việc phát triển điện cực quang hiệu quả hơn cho quá trình này. Mặc dù BiVO4 có tiềm năng lớn, vẫn còn những hạn chế như chiều dài khuếch tán lỗ trống ngắn, khả năng vận chuyển điện tử nghèo, và động học oxy hóa nước chậm. Nghiên cứu và phát triển các cấu trúc nano và các phương pháp cải tiến khác là cần thiết để khai thác tối đa tiềm năng của BiVO4 trong quang điện hóa tách nước.

1.1. Giới Thiệu Chung về Vật Liệu Bán Dẫn BiVO4

BiVO4 (Bismuth Vanadate) là một vật liệu bán dẫn oxit kim loại chuyển tiếp, thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực quang điện hóa và xúc tác quang do khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, tính ổn định hóa học và giá thành tương đối thấp. Cấu trúc tinh thể của BiVO4 cho phép các phản ứng oxy hóa và khử nước diễn ra hiệu quả. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế của BiVO4 vẫn còn hạn chế do các yếu tố như tốc độ tái hợp electron-hole nhanh, chiều dài khuếch tán lỗ trống ngắn và động học phản ứng bề mặt chậm. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện các tính chất này thông qua các phương pháp như doping, tạo cấu trúc nano, kết hợp với các vật liệu khác và xử lý bề mặt.

1.2. Ứng Dụng BiVO4 Trong Tách Nước Bằng Năng Lượng Mặt Trời

BiVO4 là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho các ứng dụng tách nước bằng năng lượng mặt trời nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và vị trí các mức năng lượng phù hợp cho quá trình oxy hóa và khử nước. Quá trình tách nước sử dụng BiVO4 thường diễn ra trong một tế bào quang điện hóa (PEC), nơi ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi BiVO4, tạo ra các electron và lỗ trống. Các electron tham gia vào phản ứng khử nước để tạo ra hydrogen, trong khi các lỗ trống tham gia vào phản ứng oxy hóa nước để tạo ra oxy. Hiệu suất của quá trình tách nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng của vật liệu BiVO4, cấu trúc điện cực và các điều kiện hoạt động.

II. Thách Thức Hạn Chế Hiệu Suất Tách Nước của BiVO4 Nano

Mặc dù BiVO4 có tiềm năng lớn trong quang điện hóa tách nước, nó vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Chiều dài khuếch tán lỗ trống ngắn là một trong những hạn chế chính, làm giảm hiệu quả thu thập và vận chuyển hạt tải. Khả năng vận chuyển điện tử nghèo cũng góp phần làm giảm hiệu suất. Động học oxy hóa nước chậm là một rào cản khác. Để vượt qua những hạn chế này, cần có những nghiên cứu sâu rộng về cấu trúc, tính chất và phương pháp cải tiến BiVO4. Các phương pháp như xử lý bề mặt với các chất xúc tác, doping để tăng cường khả năng vận chuyển hạt tải, kết cặp với các vật liệu có khe năng lượng thấp, và thiết kế cấu trúc nano đang được tích cực nghiên cứu. Nghiên cứu của Nguyễn Văn Minh cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải thiện chất lượng tinh thể để tăng chiều dài khuếch tán của hạt tải.

2.1. Chiều Dài Khuếch Tán Lỗ Trống Ngắn và Ảnh Hưởng

Chiều dài khuếch tán lỗ trống là quãng đường trung bình mà một lỗ trống có thể di chuyển trước khi tái hợp với một electron. Trong BiVO4, chiều dài khuếch tán lỗ trống thường rất ngắn, chỉ vài nanomet. Điều này có nghĩa là hầu hết các lỗ trống được tạo ra bởi ánh sáng sẽ tái hợp với các electron trước khi chúng có thể tham gia vào phản ứng oxy hóa nước. Để cải thiện hiệu suất tách nước, cần tăng chiều dài khuếch tán lỗ trống bằng cách giảm tốc độ tái hợp electron-hole hoặc tăng tốc độ vận chuyển lỗ trống.

2.2. Khả Năng Vận Chuyển Điện Tử Kém Nguyên Nhân và Giải Pháp

Khả năng vận chuyển điện tử kém cũng là một vấn đề quan trọng đối với BiVO4. Điện tử trong BiVO4 di chuyển chậm hơn so với lỗ trống, làm giảm hiệu quả thu thập và vận chuyển hạt tải. Điều này có thể là do cấu trúc tinh thể của BiVO4 hoặc do sự hiện diện của các khuyết tật trong vật liệu. Để cải thiện khả năng vận chuyển điện tử, có thể sử dụng các phương pháp như doping hoặc tạo cấu trúc nano để tăng độ dẫn điện của BiVO4.

2.3. Động Học Oxy Hóa Nước Chậm Cải Thiện Bề Mặt BiVO4

Động học oxy hóa nước chậm là một thách thức khác đối với BiVO4. Phản ứng oxy hóa nước là một quá trình phức tạp đòi hỏi nhiều bước trung gian, và mỗi bước có thể giới hạn tốc độ phản ứng tổng thể. Để cải thiện động học oxy hóa nước, có thể sử dụng các chất xúc tác quang để tăng tốc độ các bước trung gian hoặc tạo ra các vị trí hoạt động hơn trên bề mặt BiVO4.

III. Phương Pháp Lắng Đọng Điện Hóa Chế Tạo BiVO4 Nano Hiệu Quả

Phương pháp lắng đọng điện hóa (Electrochemical Deposition - ECD) là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để chế tạo màng mỏng BiVO4 với cấu trúc nano. ECD cho phép kiểm soát hình thái và thành phần của màng bằng cách điều chỉnh các thông số điện hóa. Kỹ thuật này tương đối đơn giản, chi phí thấp, và có khả năng mở rộng quy mô. Màng BiVO4 được chế tạo bằng ECD thường có độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn, và cấu trúc nano độc đáo, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang điện hóa tách nước. Nghiên cứu của Nguyễn Văn Minh sử dụng phương pháp này để chế tạo điện cực BiVO4 nano và khảo sát thuộc tính quang điện hóa của nó.

3.1. Ưu Điểm của Kỹ Thuật Lắng Đọng Điện Hóa ECD

Kỹ thuật lắng đọng điện hóa (ECD) sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội trong việc chế tạo màng mỏng BiVO4 so với các phương pháp khác. Thứ nhất, ECD cho phép kiểm soát chính xác chiều dày màng, hình thái và thành phần bằng cách điều chỉnh các thông số điện hóa như điện thế, dòng điện và thời gian lắng đọng. Thứ hai, ECD là một kỹ thuật tương đối đơn giản, chi phí thấp và có khả năng mở rộng quy mô, phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Thứ ba, ECD có thể tạo ra màng BiVO4 với độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và cấu trúc nano độc đáo, giúp cải thiện hiệu suất quang điện hóa tách nước.

3.2. Quy Trình Chế Tạo BiVO4 Nano Bằng Phương Pháp ECD

Quy trình chế tạo BiVO4 nano bằng phương pháp ECD thường bao gồm các bước sau: (1) Chuẩn bị dung dịch điện phân chứa các ion Bi3+ và VO3-. (2) Đặt một điện cực làm việc (thường là một đế dẫn điện như FTO) vào dung dịch điện phân. (3) Áp dụng một điện thế hoặc dòng điện lên điện cực, khiến các ion Bi3+ và VO3- oxy hóa và lắng đọng trên bề mặt điện cực, tạo thành màng BiVO4. (4) Rửa sạch và sấy khô màng BiVO4. Các thông số điện hóa như điện thế, dòng điện, thời gian lắng đọng, nhiệt độ và pH của dung dịch điện phân có thể được điều chỉnh để kiểm soát hình thái và thành phần của màng BiVO4.

IV. Cấu Trúc Nano BiVO4 Cải Thiện Tính Chất Quang Điện Hóa

Thiết kế cấu trúc nano là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất tách nước quang điện hóa của BiVO4. Cấu trúc nano có thể tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, và giảm chiều dài khuếch tán hạt tải. Các cấu trúc nano BiVO4 phổ biến bao gồm dây nano, ống nano, tấm nano, và hạt nano. Các nghiên cứu cho thấy cấu trúc nano BiVO4 có thể mang lại hiệu suất cao hơn so với vật liệu BiVO4 khối.

4.1. Tăng Diện Tích Bề Mặt và Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng

Cấu trúc nano giúp tăng diện tích bề mặt của BiVO4, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp thụ ánh sáng. Diện tích bề mặt lớn hơn cho phép nhiều photon hơn được hấp thụ, tạo ra nhiều electron và lỗ trống hơn. Ngoài ra, cấu trúc nano có thể tạo ra các hiệu ứng tán xạ ánh sáng, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.

4.2. Giảm Chiều Dài Khuếch Tán Hạt Tải và Tăng Hiệu Suất

Cấu trúc nano có thể giảm chiều dài khuếch tán hạt tải, giúp giảm thiểu sự tái hợp electron-hole và tăng hiệu suất thu thập hạt tải. Khi chiều dài khuếch tán hạt tải nhỏ hơn kích thước của cấu trúc nano, các hạt tải có thể dễ dàng di chuyển đến bề mặt vật liệu để tham gia vào các phản ứng oxy hóa và khử nước.

4.3. Ứng Dụng Các Loại Cấu Trúc Nano BiVO4 Tiềm Năng

Các loại cấu trúc nano BiVO4 khác nhau có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tách nước. Ví dụ, dây nano BiVO4 có thể cung cấp đường dẫn trực tiếp cho sự vận chuyển hạt tải, trong khi ống nano BiVO4 có thể tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng. Tấm nano BiVO4 có thể tạo ra cấu trúc màng mỏng với độ xốp cao, trong khi hạt nano BiVO4 có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ xúc tác quang.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Thuộc Tính Quang Điện Hóa của BiVO4 Nano

Nghiên cứu của Nguyễn Văn Minh đã khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước của điện cực BiVO4 nano được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Kết quả cho thấy điện cực BiVO4 nano có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến và cho hiệu suất tách nước đạt 0,5% tại thế 0,48 V. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hình thái cấu trúc và chất lượng tinh thể của BiVO4 ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tách nước.

5.1. Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng và Khe Năng Lượng của BiVO4

Nghiên cứu cho thấy điện cực BiVO4 nano có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến, đặc biệt là trong khoảng bước sóng từ 520 nm đến 550 nm. Khe năng lượng tính toán từ phổ UV-Vis DRS là khoảng 2,49 đến 2,45 eV, phù hợp với giá trị khe năng lượng của BiVO4.

5.2. Hiệu Suất Tách Nước Quang Điện Hóa Đạt Được

Điện cực BiVO4 nano đạt hiệu suất tách nước 0,5% tại thế 0,48 V (so với điện cực Ag/AgCl). Mặc dù hiệu suất này còn thấp so với các vật liệu khác, nó cho thấy tiềm năng của phương pháp lắng đọng điện hóa trong việc chế tạo điện cực BiVO4 cho ứng dụng tách nước.

5.3. Ảnh Hưởng của Hình Thái Cấu Trúc và Chất Lượng Tinh Thể

Nghiên cứu chỉ ra rằng hình thái cấu trúc và chất lượng tinh thể của BiVO4 ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tách nước. Cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn và chất lượng tinh thể cao giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, vận chuyển hạt tải, và giảm tốc độ tái hợp electron-hole.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai về BiVO4 Nano

BiVO4 nano là một vật liệu đầy hứa hẹn cho ứng dụng quang điện hóa tách nước. Phương pháp lắng đọng điện hóa là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo điện cực BiVO4 nano với cấu trúc và tính chất được kiểm soát. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện chất lượng tinh thể, tăng diện tích bề mặt, giảm chiều dài khuếch tán hạt tải, và cải thiện động học phản ứng bề mặt để nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa của BiVO4.

6.1. Tiềm Năng Phát Triển và Ứng Dụng Thực Tế của BiVO4

BiVO4 có tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị tách nước bằng năng lượng mặt trời hiệu quả và chi phí thấp. Các thiết bị này có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen sạch, một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng cho tương lai.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Cải Tiến Vật Liệu BiVO4 Nano

Các hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện chất lượng tinh thể, tăng diện tích bề mặt, giảm chiều dài khuếch tán hạt tải, và cải thiện động học phản ứng bề mặt để nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa của BiVO4. Các phương pháp như doping, tạo cấu trúc nano phức tạp, và kết hợp với các vật liệu khác có thể được sử dụng để đạt được mục tiêu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hiệu ứng quang điện hóa tách nước 1. Nguyên lý và cấu trúc của tế bào quang điện Nguyên lý của hiệu ứng quang điện hóa tách nước dựa trên việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hyđro trên một tế bào giữa 2 điện cực hoặc ba điện cực, được ngâm trong một dung dịch điện phân thông qua ánh sáng và các quá trình điện hóa. Trong một tế bào quang điện hóa dòng và thế là sản phẩm đồng thời theo sự hấp thụ của ánh sáng bởi một hoặc nhiều điện cực, trong đó có ít nhất một điện cực là vật liệu bán dẫn.1: Cấu trúc của hệ quang điện hóa tách nước ba điện cực[23] Hệ điện hóa tách nước ba điện cực nhúng trong dung dịch điện phân bao gồm: điện cực làm việc (WE) hoặc anode, điện cực đối (CE) hoặc cathode, và điện cưc tham chiếu (RE) (Hình 1.

Điện cực làm việc thường dùng là vật liệu bán dẫn để hấp thụ ánh sáng và gây ra các phản ứng hóa học tại bề mặt. Điện cực đối là vật liệu chống ăn mòn như Platium, để ngăn chặn làm bẩn dung dịch điện phân do sự hòa tan. Điện cực so sánh là điện cực Calomel chuẩn được điền đầy với dung dich HCl bão hòa. [23] Các điện cực quang có thể là: 6  Anode quang được làm từ bán dẫn loại n và cathode được làm từ kim loại.

 Cả anode và cathode đều được làm từ bán dẫn loại n.  Cathode được làm từ bán dẫn loại p và anode được làm từ kim loại. Cả ba loại trên có nguyên lý tương tự nhau. Trong đề tài này chỉ nghiên cứu loại đầu tiên.

Cơ chế của phản ứng tách nước Cơ chế của quá trình tách nước PEC có thể thông qua quy trình hai bước được gọi là sơ đồ Z, một kiểu mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên. Trong hệ thống này, hai chất bán dẫn khác nhau loại n hoặc loại p và chất oxy hóa khử (cho/nhận) được sử dụng cho quá trình quang tách. Trong hệ thống này, quá trình tạo hydro diễn ra thông qua quá trình khử proton bởi các electron vùng dẫn, và quá trình oxy hóa electron bởi các vùng hóa trị. Do đó quá trình tách nước đạt được với sự xuất hiện cặp oxy hóa khử.

Sự di chuyển của các hạt mang điện tích sinh quang, có thể được tăng cường thông qua sơ đồ Z.2: Sơ đồ tách nước PEC sử dụng chất bán dẫn loại n, loại p và kết hợp n và p.2 (a, b) là cơ chế tách nước cho chất bán dẫn loại n và p theo thứ tự.2 (c) là kết hợp n và p cho khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng hiệu quả hơn. Phản ứng tổng thể liên quan đến cơ chế tách nước 2 H 2O  h  2 H 2  O2 , G 0  4,92eV (113Kcal mol-1) (1. Hiệu suất của PEC Để mô tả hiệu suất thực của việc sinh khí hydro từ phản ứng tách nước dưới sự chiếu sáng, người ta thường sử dụng định nghĩa hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hydro STH (solar-to-hydrogen). Hiệu suất STH có thể được xác định bởi phương trình: R H [mol.cm 2 ]  S[cm 2 ] Trong đó, RH là tốc độ sinh hyđrô trong quá trình tách nước, G0(H2O) là năng lượng tự do Gibbs của nước, Isun là mật độ của chùm ánh sáng tới và S là diện tích chiếu sáng.

Khi hệ quang điện hóa nối với hiệu điện thế mạch ngoài thì năng lượng thu được phải hiệu chỉnh theonăng lượng điện của mạch ngoài. Khi đó, người ta hay sử dụng khái niệm hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện dưới tác dụng của thế mạch ngoài ABPE (applied bias photon to current efficiency). Biểu thức của hiệu suất ABPE được xác định bởi công thức: j [mA.cm 2 ] 8 Trong đó, j là mật độ dòng quang điện, Vbias là hiệu điện thế mạch ngoài, Ptotal là mật độ công suất của ánh sáng chiếu xạ, 1,23 V là hiệu điện thế nhiệt động học cần thiết cho quá trình tách nước [23]. Trong hệ ba điện cực, người ta còn dùng hiệu suất chuyển đổi quang toàn bộ của năng lượng ánh sáng thành năng lượng dưới sự có mặt của thế ngoài %, hiệu suất này được tính theo công thức sau: j[mA.cm 2 ] Trong đó: j là mật độ dòng quang; Ptotal là mật độ công suất của nguồn sáng; Vapp= Vbias - Vaoc là thế hiệu dụng đặt vào hai điện cực, trong đó Vbias là thế ngoài đặt vào hai điện cực dưới sự chiếu sáng và Vaoc là thế của điện cực làm việc dưới điều kiện mở mạch (j = 0) [23].

Ngoài ra, hiệu suất của một PEC cũng có thể được đánh giá bởi đại lượng gọi là hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới thành dòng điện IPCE (incidentphoton to current conversion efficiency). Hiệu suất này thường được đo bởi số lượng electron sinh ra dưới tác dụng ánh sáng và tập trung tại mạch ngoài với số photon chiếu xạ trên bề mặt của tế bào quang điện hóa và được cho bởi biểu thức: 1240  jph [A.m 2 ] trong đó, jph là mật độ dòng quang điện sinh ra, λ là bước sóng của ánh sáng chiếu tới, Plight là cường độ chùm photon và 1240 là hệ số hiệu chỉnh đơn vị. Hiệu suất IPCE có thể được xem là hàm hồi tiếp của ánh sáng của quang điện cực với bước sóng ánh sáng tới. Yêu cầu của vật liệu làm điện cực quang 9 Để có thể đạt được hiệu quả trong việc sản xuất hydro từ tế bào quang điện hóa sử dụng ánh sáng mặt trời, việc lựa chọn vật liệu cho điện cực quang phải thỏa mãn những yêu cầu sau: 1.

Hấp thụ mạnh ánh sáng vùng khả kiến. Theo nhiệt động lực học, năng lượng cần thiết cho phản ứng tách nước là 1,23 eV, do đó chất bán dẫn được chọn làm điện cực quang phải có bề rộng vùng cấm tối thiểu bằng 1,23 eV. Tuy nhiên, nếu tính đến các sự hao phí khác, chất bán dẫn phù hợp để làm điện cực quang có năng lượng vùng cấm khoảng 1,7 eV. Có vị trí các mức năng lượng phù hợp để có thể ôxi hóa và khử nước.

Có nghĩa là mức năng lượng vùng hóa trị (Ev) và mức năng lượng vùng dẫn (Ec) phải “bao phủ” mức năng lượng ôxi hóa khử của nước. Có độ bền hóa học cao cả trong điều kiện chiếu xạ và không chiếu xạ ánh sáng. Sự ăn mòn hóa học được xem là yếu tố giới hạn của các chất bán dẫn làm điện cực quang. Hạt mang điện di chuyển dễ dàng trong chất bán dẫn.

Thông thường vật liệu có độ kết tinh cao thì sẽ có mật độ sai hỏng ít nên sẽ mạng lại hiệu quả cao cho sự chuyển dời của các hạt mang điện. Mặt khác, độ linh động của hạt mang điện sẽ tăng cường độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ linh động của electron và lỗ trống được xác định bởi cấu trúc năng lượng của vật liệu. Hầu hết các ôxít kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị bao gồm kim loại lớp 3d và ôxi lớp 2p.

Do đó, sự chồng lên nhau của các lớp kim loại 3d sẽ làm cho điện tử có độ linh động cao, trong khi đó sự chồng lên nhau của các lớp ôxi 2p sẽ xác định độ linh động của lỗ trống. Có thế mở thấp cho các phản ứng ôxi hóa/khử. Điều này có nghĩa là lỗ trống di chuyển đủ nhanh qua bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn và dung dịch điện phân để chống lại các phản ứng phân hủy dương cực. Hơn nữa sự di 10 chuyển này cũng đủ nhanh để chống lại sự tập hợp lỗ trống tại bề mặt vì điều này sẽ dẫn đến sự giảm điện trường đồng thời tăng khả năng tái hợp điện tử và lỗ trống.

Để tăng khả năng di chuyển của lỗ trống, có thể thêm các chất xúc tác khác trên bề mặt của chất bán dẫn làm điện cực quang. Cuối cùng là chi phí của vật liệu làm điện cực quang phải thấp để có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sản xuất hydro từ nước sử dụng ánh sáng mặt trời. Giới thiệu vật liệu BiVO4 1. Cấu trúc vật liệu BiVO4 BiVO4 tồn tại ở ba dạng đa hình riêng biệt: monoclinic, orthorhombic và tetragonal.

Chúng lần lượt được biết đến về mặt khoáng vật học là clinobisvanite, pucherite và dreyerite. Cấu trúc tinh thể của BiVO4 thể hiện sự chuyển đổi thuận nghịch hoặc không thuận nghịch phụ thuộc vào nhiệt độ giữa các pha của nó được điều khiển bởi một cặp cation có trên Bi3+. Nghĩa là, BiVO4 zircon tứ giác đã được phát hiện là trải qua quá trình biến đổi không thuận nghịch thành cấu trúc scheelite đơn tà trong khoảng từ ~350 đến 400 0 C, và quá trình chuyển đổi sắt đàn hồi-paraelastic thuận nghịch được biết là xảy ra ở nhiệt độ 255 0C giữa các silic đơn tà và các pha scheelite tứ giác. Điều thú vị là có thể đạt được sự chuyển đổi không thuận nghịch từ pha tứ giác sang pha đơn tà thông qua quá trình mài cơ học ở nhiệt độ phòng.

Tuy nhiên, trong quá trình nghiền cơ học, lượng chuyển hóa được ghi nhận là phụ thuộc vào thời gian nghiền. Trong số ba cấu trúc tinh thể, pha đơn tà của BiVO4 có hoạt tính xúc tác quang vượt trội được cho là ổn định về mặt nhiệt động. Do đó, pha đơn tà của BiVO4 đã được khám phá rộng rãi và thường được sử dụng trong các ứng dụng tách nước PEC [24]. Pha đơn tà của BiVO4 bao gồm các đơn vị Bi–V–O xếp chồng song song 11 trong một cấu trúc phân lớp chứa các đặc tính của cả hai chất tương đương nhị phân Bi2O3 và V2O5.

Cấu trúc tinh thể đơn đà tâm đáy của BiVO4 sở hữu các vị trí mạng tinh thể đặc biệt của Bi (4e), V (4e), O1 (8f) và O2 (8f). Do đó, việc xếp chồng trong cấu trúc scheelite đơn tà cho phép sự phối hợp của nguyên tử Bi với O để tạo ra bát diện oxy có cấu trúc bị biến dạng, trong khi V được tìm thấy nằm ở trung tâm của tứ diện oxy bị biến dạng. Do đó, trong ô cơ sở của BiVO4 đơn tà, sự biến dạng gây ra trong tứ diện VO4 tạo ra hai môi trường oxy khác nhau trong khi ở khối mười hai mặt của BiO8, bốn oxy duy nhất được hình thành. Nghĩa là, O1 được liên kết với từng nguyên tử V và Bi, ngược lại, O2 được gắn với một nguyên tử V và hai nguyên tử Bi [20].

Do đó, trạng thái oxy hóa của Bi (5d10 6s2), V (3d0) và O (2p6) được ghi nhận lần lượt là 3+ 5+ và 2-.