Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang xúc tác, điện-quang xúc tác của vật liệu Cu2O

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo và tính chất quang xúc tác của vật liệu Cu20 với lớp phủ nanô, mở ra hướng đi mới trong công nghệ năng lượng.

• Tác giả: Lê Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Quang Liêm
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Tính Chất Quang Xúc Tác, Điện-Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Cu2O Với Các Lớp Phủ Cấu Trúc Nanô
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm cơ bản
• 1.2. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 2.1. Chế tạo màng mỏng Cu2O và các lớp bảo vệ điện cực
• 2.2. Một số phương pháp nghiên cứu vi hình thái và cấu trúc của vật liệu
• 2.3. Một số phương pháp nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu
• 2.4. Thiết lập các phép đo quang điện hóa
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC p-Cu2O VỚI CÁC LỚP BẢO VỆ n-Cu2O, n-TiO2 VÀ n-CdS
• 3.1. Điện cực p-Cu2O và điện cực p-Cu2O với lớp n-Cu2O (pn-Cu2O)
• 3.2. Vi hình thái, cấu trúc của điện cực p-Cu2O và pn-Cu2O
• 3.3. Tính chất quang và quang điện hóa của điện cực p-Cu2O và pn-Cu2O
• 3.4. Lớp bảo vệ n-TiO2
• 3.5. Vi hình thái, cấu trúc của các điện cực Cu2O phủ TiO2
• 3.6. Tính chất quang và quang điện hóa của điện cực Cu2O phủ TiO2
• 3.7. Lớp bảo vệ n-CdS
• 3.8. Vi hình thái và cấu trúc của điện cực Cu2O phủ CdS
• 3.9. Tính chất quang điện hóa của điện cực Cu2O phủ CdS
• 3.10. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC p-Cu2O VÀ pn-Cu2O VỚI CÁC LỚP BẢO VỆ LÀ CÁC VẬT LIỆU DẪN
• 4.1. Hoạt tính xúc tác khử H+ của Au NPs và điện cực Cu2O phủ lớp bảo vệ Au
• 4.2. Hoạt tính xúc tác khử H+ của Au NPs
• 4.3. Vi hình thái và cấu trúc của điện cực Cu2O phủ Au
• 4.4. Tính chất quang và quang điện hóa của điện cực Cu2O phủ Au
• 4.5. Lớp bảo vệ Ti
• 4.6. Vi hình thái và cấu trúc của điện cực Cu2O phủ Ti
• 4.7. Tính chất quang điện hóa của điện cực Cu2O phủ Ti
• 4.8. Lớp bảo vệ graphene
• 4.9. Vi hình thái và cấu trúc của điện cực Cu2O phủ graphene
• 4.10. Tính chất quang điện hóa của điện cực Cu2O phủ các lớp graphene
• 4.11. Kết luận chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Cu2O Quang Xúc Tác Giới Thiệu

Nghiên cứu về vật liệu Cu2O quang xúc tác đang thu hút sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên cấp bách, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, tái tạo là vô cùng quan trọng. Cu2O, một oxit đồng(I), nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tính chất quang xúc tác ưu việt. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như phân hủy chất ô nhiễm, sản xuất hydro từ nước và pin mặt trời. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và khảo sát tính chất quang của Cu2O, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch và bảo vệ môi trường. Theo tài liệu gốc, tổng năng lượng mặt trời đến Trái Đất gấp 5400 lần tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu dự kiến vào năm 2020, cho thấy tiềm năng to lớn của việc khai thác năng lượng mặt trời.

1.1. Ứng Dụng Tiềm Năng của Cu2O trong Quang Xúc Tác

Vật liệu Cu2O thể hiện tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng quang xúc tác, bao gồm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí, sản xuất hydro từ nước bằng năng lượng mặt trời, và chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu. Khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến của Cu2O cho phép nó hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc cải thiện hiệu suất quang xúc tác của Cu2O thông qua việc điều chỉnh kích thước hạt, cấu trúc bề mặt và thành phần hóa học.

1.2. Thách Thức và Cơ Hội trong Nghiên Cứu Cu2O Quang Xúc Tác

Mặc dù Cu2O có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng đối mặt với một số thách thức, bao gồm độ ổn định quang hóa thấp và hiệu suất quang xúc tác còn hạn chế. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực giải quyết những vấn đề này bằng cách phát triển các phương pháp bảo vệ Cu2O khỏi sự ăn mòn quang hóa và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích của nó. Các cơ hội nghiên cứu bao gồm việc khám phá các vật liệu composite Cu2O với các chất bán dẫn khác, như TiO2 và ZnO, để tạo ra các hệ thống quang xúc tác hiệu quả hơn.

II. Vấn Đề Hạn Chế Hiệu Suất Quang Xúc Tác của Vật Liệu Cu2O

Mặc dù Cu2O có nhiều ưu điểm, nhưng hiệu suất quang xúc tác của nó vẫn còn hạn chế do một số yếu tố. Một trong những vấn đề chính là sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron-hole, làm giảm số lượng các điện tích có sẵn để tham gia vào các phản ứng quang xúc tác. Ngoài ra, Cu2O cũng dễ bị ăn mòn quang hóa trong quá trình phản ứng quang xúc tác, dẫn đến sự suy giảm độ bền quang xúc tác của vật liệu. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc giải quyết những vấn đề này bằng cách phát triển các phương pháp cải thiện khả năng tách điện tích và bảo vệ Cu2O khỏi sự ăn mòn.

2.1. Tái Hợp Electron Hole Nguyên Nhân và Giải Pháp

Sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron-hole là một trong những yếu tố chính hạn chế hiệu suất quang xúc tác của Cu2O. Để giảm thiểu sự tái hợp này, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều phương pháp, bao gồm việc tạo ra các cấu trúc nano Cu2O với diện tích bề mặt lớn, doping Cu2O với các nguyên tố khác, và kết hợp Cu2O với các chất bán dẫn khác để tạo ra các hệ thống dị thể. Các phương pháp này nhằm mục đích cải thiện khả năng tách điện tích và kéo dài tuổi thọ của các điện tích.

2.2. Ăn Mòn Quang Hóa Cơ Chế và Biện Pháp Phòng Ngừa

Cu2O dễ bị ăn mòn quang hóa trong quá trình phản ứng quang xúc tác, dẫn đến sự suy giảm độ bền quang xúc tác của vật liệu. Cơ chế ăn mòn quang hóa liên quan đến sự oxy hóa của Cu2O thành CuO dưới tác dụng của ánh sáng và oxy. Để ngăn chặn sự ăn mòn này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp bảo vệ Cu2O bằng cách phủ lên bề mặt của nó một lớp bảo vệ, chẳng hạn như TiO2 hoặc graphene. Các lớp bảo vệ này có thể ngăn chặn sự tiếp xúc của Cu2O với oxy và nước, do đó làm giảm sự ăn mòn quang hóa.

III. Phương Pháp Điều Chế Vật Liệu Cu2O Quang Xúc Tác Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp điều chế Cu2O khác nhau, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp kết tủa, phương pháp điện hóa và phương pháp phún xạ. Việc lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, chẳng hạn như kích thước hạt, cấu trúc bề mặt và độ tinh khiết của Cu2O. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều chế Cu2O với kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc tinh thể tốt.

3.1. Phương Pháp Thủy Nhiệt Ưu Điểm và Ứng Dụng

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp điều chế Cu2O phổ biến, trong đó các tiền chất được hòa tan trong nước và đun nóng trong một bình kín ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc của Cu2O, và khả năng điều chế Cu2O với độ tinh khiết cao. Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để điều chế Cu2O cho các ứng dụng quang xúc tác và pin mặt trời.

3.2. Phương Pháp Điện Hóa Điều Chỉnh Cấu Trúc và Tính Chất

Phương pháp điện hóa là một phương pháp điều chế Cu2O trong đó Cu2O được lắng đọng trên một điện cực bằng cách sử dụng dòng điện. Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc và tính chất của Cu2O, và có thể được sử dụng để điều chế các màng mỏng Cu2O với độ dày và độ đồng đều cao. Phương pháp điện hóa thường được sử dụng để điều chế Cu2O cho các ứng dụng cảm biến và điện tử.

IV. Tối Ưu Tính Chất Quang Xúc Tác Vật Liệu Cu2O Các Yếu Tố

Tính chất quang xúc tác của Cu2O chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt, cấu trúc bề mặt, thành phần hóa học và điều kiện phản ứng. Để tối ưu hóa tính chất quang xúc tác của Cu2O, cần phải kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc điều chỉnh kích thước hạt, cấu trúc bề mặt và thành phần hóa học của Cu2O để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, tách điện tích và vận chuyển điện tích của nó.

4.1. Ảnh Hưởng của Kích Thước Hạt Cu2O Đến Hiệu Suất

Kích thước hạt của Cu2O có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quang xúc tác của nó. Cu2O với kích thước hạt nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn hơn, cho phép nó hấp thụ nhiều ánh sáng hơn và cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho các phản ứng quang xúc tác. Tuy nhiên, Cu2O với kích thước hạt quá nhỏ có thể bị tái hợp điện tích nhanh chóng, làm giảm hiệu suất quang xúc tác của nó. Do đó, cần phải tìm ra kích thước hạt tối ưu cho Cu2O để đạt được hiệu suất quang xúc tác cao nhất.

4.2. Vai Trò Của Cấu Trúc Bề Mặt Trong Phản Ứng Quang Xúc Tác

Cấu trúc bề mặt của Cu2O cũng đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng quang xúc tác. Cu2O với cấu trúc bề mặt xốp có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho các phản ứng quang xúc tác. Ngoài ra, cấu trúc bề mặt có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích của Cu2O. Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp để điều chỉnh cấu trúc bề mặt của Cu2O, chẳng hạn như sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Vật Liệu Cu2O Trong Xử Lý Ô Nhiễm

Vật liệu Cu2O thể hiện tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải và phân hủy chất ô nhiễm. Nhờ tính chất quang xúc tác của mình, Cu2O có thể được sử dụng để phân hủy thuốc nhuộm, phân hủy phenol, phân hủy thuốc trừ sâu và phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng Cu2O có thể phân hủy hiệu quả nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau dưới ánh sáng mặt trời.

5.1. Cu2O Quang Xúc Tác Phân Hủy Thuốc Nhuộm Trong Nước Thải

Cu2O có thể được sử dụng để phân hủy thuốc nhuộm trong nước thải bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến. Quá trình phân hủy thuốc nhuộm bằng Cu2O quang xúc tác bao gồm việc hấp thụ ánh sáng bởi Cu2O, tạo ra các cặp electron-hole, và sau đó các electron và hole này phản ứng với các phân tử thuốc nhuộm, phân hủy chúng thành các sản phẩm vô hại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Cu2O có thể phân hủy hiệu quả nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau, bao gồm methylene blue, rhodamine B và methyl orange.

5.2. Ứng Dụng Cu2O Trong Phân Hủy Hợp Chất Hữu Cơ Dễ Bay Hơi VOCs

Cu2O cũng có thể được sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong không khí. VOCs là các chất ô nhiễm không khí phổ biến, có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Quá trình phân hủy VOCs bằng Cu2O quang xúc tác tương tự như quá trình phân hủy thuốc nhuộm, nhưng trong trường hợp này, các electron và hole phản ứng với các phân tử VOCs, phân hủy chúng thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Cu2O có thể phân hủy hiệu quả nhiều loại VOCs khác nhau, bao gồm formaldehyde, benzene và toluene.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Cu2O Quang Xúc Tác

Nghiên cứu về vật liệu Cu2O quang xúc tác đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây. Cu2O đã chứng minh được tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng, bao gồm xử lý nước thải, phân hủy chất ô nhiễm và sản xuất hydro. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua để Cu2O có thể được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện hiệu suất quang xúc tác và độ bền quang xúc tác của Cu2O, cũng như giảm giá thành Cu2O để làm cho nó cạnh tranh hơn với các vật liệu quang xúc tác khác.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Cải Thiện Độ Bền Quang Xúc Tác Cu2O

Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhất trong lĩnh vực Cu2O quang xúc tác là cải thiện độ bền quang xúc tác của vật liệu. Điều này có thể đạt được bằng cách phát triển các phương pháp bảo vệ Cu2O khỏi sự ăn mòn quang hóa, chẳng hạn như phủ lên bề mặt của nó một lớp bảo vệ hoặc kết hợp nó với các chất bán dẫn khác. Ngoài ra, việc điều chỉnh cấu trúc và thành phần hóa học của Cu2O cũng có thể giúp cải thiện độ bền quang xúc tác của nó.

6.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Cu2O Trong Năng Lượng Mặt Trời Tương Lai

Cu2O có tiềm năng lớn trong các ứng dụng năng lượng mặt trời trong tương lai. Với khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tính chất quang xúc tác ưu việt, Cu2O có thể được sử dụng để sản xuất hydro từ nước bằng năng lượng mặt trời, hoặc để chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu. Ngoài ra, Cu2O cũng có thể được sử dụng trong các pin mặt trời thế hệ mới, chẳng hạn như pin mặt trời dị thể hoặc pin mặt trời perovskite.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về quá trình quang xúc tác phân tách nước tạo H2, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện hóa, tiếp xúc giữa chất bán dẫn với dung dịch điện ly và cách xác định hiệu suất của pin quang điện hóa. Dẫn 3 chứng minh họa được lấy trên đối tượng màng mỏng Cu2O. Đây cũng là cơ sở để so sánh và giải thích khoa học trong phần kết quả của luận án. Chương 2 trình bày các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận án, trong đó mô tả các phương pháp chế tạo vật liệu (phương pháp tổng hợp điện hóa chế tạo màng mỏng Cu2O, các phương pháp chế tạo lớp phủ như: phún xạ, bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử, lắng đọng bể hóa học); các phương pháp nghiên cứu vi hình thái (ghi ảnh SEM, AFM) và cấu trúc (ghi giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ quang điện tử tia X, phổ tán xạ Raman); nghiên cứu các quá trình quang điện tử trong vật liệu bằng các phương pháp quang phổ hấp thụ và các phép đo quang điện hóa.

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo màng mỏng p-Cu2O, pn- Cu2O và màng mỏng Cu2O phủ lớp bảo vệ TiO2, CdS. Kết quả nghiên cứu vi hình thái và cấu trúc được sử dụng như thông tin để đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ n- Cu2O, TiO2 và CdS lên đặc trưng quang, điện – quang xúc tác của p-Cu2O. Từ đó, việc tối ưu hóa điều kiện chế tạo, độ dày lớp phủ bảo vệ điện cực quang Cu2O được thảo luận. Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu về vi hình thái, cấu trúc của điện cực p-Cu2O và pn-Cu2O phủ các lớp bảo vệ dẫn điện gồm: lớp Au, lớp Ti, lớp graphene.

Ảnh hưởng của độ dày và nhiệt độ ủ lớp Au lên đặc trưng điện – quang xúc tác phân tách nước của điện cực. Khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp Ti phủ trên điện cực. Phân tích hiệu ứng tăng cường mật độ dòng quang xúc tác và độ bền của điện cực phủ các lớp graphene. Phân tích dòng truyền qua và dòng bền của các điện cực Cu2O phủ các lớp bảo vệ để đánh giá khả năng tích tụ điện tử tại mặt tiếp xúc của Cu2O với lớp bảo vệ.

Phần cuối cùng của luận án liệt kê danh sách những công trình đã công bố liên quan đến luận án và danh mục các tài liệu tham khảo. Các kết quả mới đã đạt được của luận án  Chúng tôi đã chế tạo thành công các màng mỏng p-Cu2O và pn-Cu2O trên đế FTO với số lượng lớn và có độ đồng đều cao bằng phương pháp tổng hợp điện hóa. Với lớp phủ n-Cu2O tạo tiếp xúc đồng thể pn-Cu2O giúp cải thiện 4 các đặc trưng quang điện hóa như thế bắt đầu dòng quang Vonset, khả năng phân tách hạt tải điện và độ bền của điện cực tăng đáng kể.  Luận án đã khảo sát ảnh hưởng của độ dày và nhiệt độ ủ của các lớp phủ Au và TiO2 đến độ bền của điện cực Cu2O.

Đồng thời, luận án đưa ra độ dày và nhiệt độ ủ tối ưu của 2 loại vật liệu này trên các điện cực p-Cu2O và pn- Cu2O.  Luận án là công trình đầu tiên nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp phủ CdS và Ti lên hoạt tính quang xúc tác phân tách nước của điện cực Cu2O. Nghiên cứu này cho thấy khả năng phân tách hạt tải rất tốt của lớp tiếp xúc CdS/Cu2O và khả năng hỗ trợ quá trình phân tách hạt tải, di chuyển hạt tải từ Cu2O ra dung dịch điện li của lớp Ti.  Luận án đã khảo sát ảnh hưởng của đơn lớp và đa lớp graphene tới hoạt tính quang xúc tác phân tách nước của Cu2O.

Luận án được thực hiện chủ yếu tại Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Một phần nghiên cứu tính chất quang điện hóa được thực hiện tại Khoa Khoa học cơ bản và ứng dụng – Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội. Phần nghiên cứu chế tạo các lớp phủ CdS, Ti và graphene được thực hiện tại phòng thí nghiệm của GS. Myung Mo Sung – Khoa Hóa học – Trường Đại học Hanyang – Hàn Quốc.

Phần chế tạo lớp phủ TiO2 được thực hiện tại Bộ môn Khí tài quang – Khoa Vũ khí – Học viện Kỹ thuật quân sự. Các kết quả đo XPS được thực hiện tại Viện nghiên cứu đa ngành cho vật liệu tiên tiến – Đại học Tohoku – Nhật Bản. Các phép đo phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ UV – vis được thực hiện tại Khoa Hóa học – Trường Đại học Hanyang – Hàn Quốc và Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC PHÂN TÁCH NƢỚC TẠO NHIÊN LIỆU SẠCH H2 SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC CATHODE QUANG Cu2O 1.

Vấn đề năng lƣợng toàn cầu và nhiên liệu sạch H2 Một mục tiêu trong sáng kiến của Liên hợp quốc “Năng lượng bền vững cho mọi người” là đến năm 2030 có tối thiểu 30% năng lượng tiêu thụ toàn cầu đến từ nguồn năng lượng tái tạo [13]. Hiện nay, hơn 1,3 tỉ người vẫn đang thiếu điện, do vậy sử dụng nguồn năng lượng bền vững và hợp lý là một động lực cho phát triển kinh tế và xã hội. Trong số khoảng 500 exajoules năng lượng tiêu thụ toàn cầu hàng năm thì 84% đến từ nguồn năng lượng hóa thạch [14]. Ước tính dân số thế giới sẽ tăng lên khoảng 9 tỷ người vào năm 2040 và nhu cầu năng lượng tăng thêm 56% so với năm 2010 [14].

Ngay cả ở mức tiêu thụ năng lượng như hiện tại, ước tính trữ lượng than đá chỉ có thể khai thác từ 150 đến 400 năm, dầu mỏ từ 40 đến 80 năm và khí đốt là 60 đến 160 năm [15]. Do vậy, nguồn nhiên liệu hóa thạch tuy có những ưu điểm nhất định như dễ bảo quản và dễ vận chuyển nhưng không thể tiếp tục đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng của con người. Vấn đề về năng lượng, an ninh quốc phòng không chỉ là thách thức với các quốc gia thiếu nguồn nhiên liệu hóa thạch mà cả các quốc gia phát triển. Điều này dẫn tới sự cần thiết phải phát triển các nguồn năng lượng sạch thay thế hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch.

Mối quan tâm lớn hơn là các tác động môi trường do việc giải phóng khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là phát thải khí CO2 và khói bụi kích thước nanô do sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nồng độ CO2 trong khí quyển liên quan mật thiết với nhiệt độ trung bình trên Trái đất. Tốc độ tăng lượng khí CO2 hiện tại là cao chưa từng có. Kể từ khi bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 3 (những năm 1960) đến nay, nồng độ CO2 trong khí quyển tăng liên tục từ 280 ppm đến 400 ppm với tốc độ tăng trung bình 2 ppm/năm.

Khi nồng độ CO2 đạt mức 450 ppm, nhiệt độ toàn cầu có thể tăng thêm 2 0C, dẫn tới những hậu quả to lớn với hệ sinh thái và xã hội con người [16]. Hiện nay, nguồn năng lượng tái tạo chiếm khoảng 13,2 % tổng năng lượng và cung cấp khoảng 22 % lượng điện năng tiêu thụ. Mục tiêu đề ra là phải tăng gấp 6 3 lần tỉ lệ sử dụng năng lượng tái tạo vào năm 2040 [17]. Để thực hiện điều này, các công nghệ xanh không sử dụng nhiên liệu hóa thạch (hoặc sử dụng ít) cần được triển khai trên toàn cầu.

Các nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng sử dụng với quy mô trải rộng trên khắp trái đất. Trái ngược với các nguồn năng lượng thông thường như khí đốt, than đá, dầu mỏ chỉ tập trung tại những vùng địa lý nhất định. Tất cả các quốc gia trên thế giới có ít nhất một lợi thế về nguồn tài nguyên tái tạo phong phú. Theo dự báo, vào năm 2040 Trung đông sẽ dựa chủ yếu vào công nghệ năng lượng mặt trời, cung cấp 50% lượng năng lượng tiêu thụ.

Các nước có nhiệt độ thấp hơn như Liên minh Châu Âu sẽ chủ yếu dựa vào năng lượng gió [18]. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có, năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn nhất để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai với khoảng 3.000 exajoules đến bề mặt Trái đất mỗi năm. Một số công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng khác đã được nghiên cứu và triển khai, trong đó phổ biến nhất là pin mặt trời. Hiện tại công nghiệp sản xuất pin mặt trời là một trong những ngành công nghiệp phát triển nhanh nhất thế giới với tốc độ tăng trưởng khoảng 40%/năm [19].

Ước tính đến năm 2050, năng lượng mặt trời có thể là nguồn cung cấp điện năng lớn nhất so với nhiên liệu hóa thạch, gió, thủy điện và điện hạt nhân. Điều này cũng đặt ra thách thức cho việc dự trữ nguồn năng lượng này. Các công nghệ lưu trữ hiện tại như lưu trữ nhiệt năng, pin, khí nén đều không đáp ứng được mức terawatt (TW). Điều này đưa tới việc lấy ý tưởng từ tự nhiên là trực tiếp chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu hóa học có thể lưu trữ được và sau đó được sử dụng tùy theo nhu cầu.

Trong bối cảnh đó, năng lượng hóa học tích trữ trong phân tử H2 là một giải pháp thú vị. Nó có nhiều ưu điểm như: không phát thải khí CO2, mật độ năng lượng H2 cao hơn so với xăng (142 MJ/kg so với 46,4 MJ/kg) nhưng có nhược điểm là mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích lại nhỏ hơn (9,17 MJ/L so với 34,2 MJ/L) [20]. Hiện tại 96% H2 được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, với những thiết bị phân tách nước tạo H2 sử dụng ánh sáng mặt trời đã được công bố với hiệu suất lý thuyết cỡ 18% sẽ mở ra một con đường mới hấp dẫn để sản xuất H2 [21].

Quang xúc tác phân tách nƣớc tạo H2 Quá trình phân tách nước sử dụng ánh sáng mặt trời được gọi là quang hợp nhân tạo mà ở đó năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng hóa học tích lũy trong các phân tử H2. Sự chuyển hóa năng lượng này được thực hiện trong các pin quang điện hóa (Photoelectrochemical cell – PEC cell), còn được gọi là lá nhân tạo [22]. Pin quang điện hóa 1.