Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng trong khi nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch, tái tạo như năng lượng mặt trời là hướng đi quan trọng toàn cầu. Quang điện hóa (PEC) là quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học, lưu trữ dưới dạng hydro sạch, không phát thải khí độc hại. Trong lĩnh vực vật liệu quang điện hóa, titan dioxide (TiO2) cấu trúc ống nano được nghiên cứu rộng rãi nhờ tính không độc, chi phí thấp và hiệu quả quang hóa cao. Tuy nhiên, TiO2 có vùng cấm rộng khoảng 3,2 eV, chỉ hấp thụ tia tử ngoại chiếm khoảng 4% năng lượng mặt trời, dẫn đến hiệu suất thấp khi ứng dụng thực tế.

Graphic cacbon nitric (g-C3N4) là vật liệu bán dẫn hữu cơ không kim loại với vùng cấm nhỏ hơn (khoảng 2,7 eV), có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tính ổn định cao trong môi trường axit, kiềm. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống cao, làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Việc kết hợp g-C3N4 với TiO2 tạo thành dị thể giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo điện cực quang g-C3N4/TiO2 cấu trúc ống nano, khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng TiO2 và g-C3N4 đến hiệu suất chuyển đổi quang điện, từ đó tối ưu hóa hiệu suất điện cực. Nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn trong khoảng thời gian gần đây, góp phần phát triển vật liệu quang điện hóa hiệu quả, ứng dụng trong tách nước tạo hydro sạch, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn, trong đó vùng hóa trị (VB), vùng dẫn (CB) và vùng cấm (Eg) quyết định tính chất quang điện. TiO2 có ba pha chính: anatase, rutile và brookite, trong đó anatase có hoạt tính quang hóa mạnh nhất với Eg khoảng 3,2 eV. Vật liệu nano TiO2 cấu trúc ống nano có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng khả năng hấp thụ và phản ứng quang xúc tác.

Graphic cacbon nitric (g-C3N4) là vật liệu bán dẫn hữu cơ với cấu trúc lớp xếp chồng, có vùng cấm khoảng 2,7 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, g-C3N4 có tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống cao, cần cải thiện bằng cách kết hợp với TiO2 để tạo dị thể, giúp tăng hiệu suất tách nước quang điện.

Ba khái niệm chính được áp dụng:

  • Vùng cấm năng lượng (Eg) và ảnh hưởng đến hấp thụ ánh sáng
  • Cấu trúc ống nano của TiO2 và tác động đến diện tích bề mặt, hiệu suất quang xúc tác
  • Dị thể g-C3N4/TiO2 giúp giảm tái tổ hợp và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu. Cỡ mẫu gồm các điện cực quang TiO2, g-C3N4 và hỗn hợp g-C3N4/TiO2 với tỷ lệ khối lượng khác nhau (1:1, 1:2, 1:3). Vật liệu TiO2 cấu trúc ống nano được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, nung ở các nhiệt độ 500°C, 600°C, 700°C để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến cấu trúc. g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung melamin ở 500°C.

Điện cực quang được chế tạo bằng phương pháp doctor blade trên đế ITO đã làm sạch. Các mẫu được đặc trưng bằng các kỹ thuật:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc nano
  • Phổ UV-Vis để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm
  • Đo tính chất quang điện hóa bằng hệ đo điện hóa để xác định mật độ dòng quang điện và hiệu suất chuyển đổi quang

Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, từ tổng hợp vật liệu đến đo đạc và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến cấu trúc TiO2 ống nano:
    Kết quả XRD cho thấy pha anatase chiếm ưu thế ở 500°C và 600°C, chuyển dần sang pha rutile khi nung ở 700°C. SEM và TEM minh họa cấu trúc ống nano rõ ràng, kích thước ống nano đồng đều. Mật độ dòng quang điện của TiO2 nung ở 600°C đạt khoảng 0,15 mA/cm², cao hơn 20% so với mẫu nung ở 500°C.

  2. Hiệu quả của g-C3N4 trong composite g-C3N4/TiO2:
    Phổ UV-Vis cho thấy composite mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng đến vùng nhìn thấy, giảm năng lượng vùng cấm từ 3,2 eV (TiO2) xuống khoảng 2,8 eV. Mật độ dòng quang điện của điện cực g-C3N4/TiO2 tỷ lệ 1:1 đạt 0,86 mA/cm², tăng gần 5 lần so với TiO2 đơn thuần (0,19 mA/cm²).

  3. Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng TiO2 và g-C3N4:
    Khi tăng tỷ lệ g-C3N4 trong composite (1:2, 1:3), mật độ dòng quang điện giảm nhẹ, lần lượt còn khoảng 0,75 mA/cm² và 0,62 mA/cm². Điều này cho thấy tỷ lệ 1:1 là tối ưu để cân bằng giữa mở rộng vùng hấp thụ và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

  4. Tính ổn định của điện cực composite:
    Điện cực g-C3N4/TiO2 duy trì hiệu suất ổn định sau 10 giờ chiếu sáng liên tục, mật độ dòng quang điện không giảm đáng kể, chứng tỏ tính bền vững trong ứng dụng quang điện hóa.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hiệu suất quang điện của composite g-C3N4/TiO2 xuất phát từ cơ chế dị thể, giúp tách biệt hiệu quả các cặp electron-lỗ trống, giảm tái tổ hợp. Việc mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng nhìn thấy nhờ g-C3N4 làm tăng lượng photon kích thích, nâng cao mật độ dòng quang điện. Kết quả tương tự với các nghiên cứu gần đây cho thấy composite này có tiềm năng ứng dụng trong tách nước tạo hydro sạch.

Biểu đồ so sánh mật độ dòng quang điện giữa các mẫu TiO2 nung ở nhiệt độ khác nhau và các composite với tỷ lệ g-C3N4 khác nhau minh họa rõ hiệu quả của việc tối ưu tỷ lệ vật liệu và điều kiện nung. Bảng tổng hợp các thông số vật lý và quang điện cũng hỗ trợ phân tích chi tiết.

Tuy nhiên, khi tỷ lệ g-C3N4 quá cao, hiệu suất giảm do khả năng dẫn điện kém hơn và có thể gây cản trở sự truyền tải điện tử. Do đó, việc cân bằng tỷ lệ vật liệu là yếu tố quan trọng trong thiết kế điện cực quang.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ khối lượng g-C3N4/TiO2 ở mức 1:1 để đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất, áp dụng trong chế tạo điện cực quang cho hệ tách nước hydro. Thời gian thực hiện trong 3-6 tháng, chủ thể là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  2. Nâng cao độ kết tinh và đồng đều cấu trúc ống nano TiO2 bằng cách kiểm soát nhiệt độ nung ở khoảng 600°C, giúp tăng mật độ dòng quang điện lên khoảng 20%. Thực hiện trong giai đoạn tổng hợp vật liệu.

  3. Phát triển quy trình chế tạo điện cực bằng phương pháp doctor blade với kiểm soát độ dày màng mỏng và độ đồng nhất huyền phù, nhằm đảm bảo tính tái lập và hiệu suất ổn định. Chủ thể là nhóm kỹ thuật chế tạo vật liệu.

  4. Khảo sát tính ổn định lâu dài của điện cực composite dưới điều kiện chiếu sáng liên tục để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế trong các thiết bị quang điện hóa. Thời gian thử nghiệm kéo dài trên 10 giờ chiếu sáng liên tục.

  5. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng composite g-C3N4/TiO2 trong các lĩnh vực khác như xử lý môi trường, pin mặt trời nhạy cảm thuốc nhuộm nhằm khai thác tối đa tiềm năng vật liệu. Chủ thể là các nhóm nghiên cứu đa ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang điện hóa: Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn nano, composite g-C3N4/TiO2, tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác, phát triển điện cực quang.

  2. Kỹ sư phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Ứng dụng vật liệu quang điện trong tách nước tạo hydro sạch, thiết kế hệ thống quang điện hóa hiệu quả.

  3. Giảng viên và sinh viên chuyên ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Tài liệu tham khảo về cấu trúc tinh thể, phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano TiO2 và g-C3N4.

  4. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và năng lượng sạch: Áp dụng công nghệ quang điện hóa trong xử lý nước, không khí và sản xuất năng lượng sạch, phát triển sản phẩm mới dựa trên vật liệu composite.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn TiO2 cấu trúc ống nano làm vật liệu nền?
    TiO2 ống nano có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc một chiều giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác so với TiO2 dạng hạt.

  2. Lợi ích của việc kết hợp g-C3N4 với TiO2 là gì?
    g-C3N4 có vùng cấm nhỏ hơn, hấp thụ ánh sáng nhìn thấy tốt hơn, khi kết hợp với TiO2 tạo dị thể giúp tách biệt hiệu quả các cặp electron-lỗ trống, giảm tái tổ hợp, mở rộng vùng hấp thụ và tăng hiệu suất quang điện.

  3. Phương pháp tổng hợp vật liệu được sử dụng như thế nào?
    TiO2 ống nano được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, nung ở nhiệt độ kiểm soát để tạo cấu trúc tinh thể mong muốn. g-C3N4 được tổng hợp bằng nung melamin. Điện cực quang được chế tạo bằng phương pháp doctor blade trên đế ITO.

  4. Hiệu suất chuyển đổi quang điện của composite đạt được bao nhiêu?
    Điện cực g-C3N4/TiO2 tỷ lệ 1:1 đạt mật độ dòng quang điện khoảng 0,86 mA/cm² và hiệu suất chuyển đổi quang khoảng 0,25%, cao hơn nhiều so với TiO2 đơn thuần.

  5. Điện cực composite có ổn định trong thời gian dài không?
    Nghiên cứu cho thấy điện cực composite duy trì hiệu suất ổn định sau 10 giờ chiếu sáng liên tục, không giảm đáng kể mật độ dòng quang điện, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công điện cực quang g-C3N4/TiO2 cấu trúc ống nano với hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn nhiều so với TiO2 đơn thuần.
  • Tỷ lệ khối lượng g-C3N4/TiO2 tối ưu là 1:1, cân bằng giữa mở rộng vùng hấp thụ và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.
  • Nhiệt độ nung 600°C cho TiO2 ống nano tạo cấu trúc tinh thể anatase ổn định, tăng mật độ dòng quang điện lên khoảng 0,15 mA/cm².
  • Điện cực composite có tính ổn định cao, duy trì hiệu suất sau 10 giờ chiếu sáng liên tục.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong tách nước tạo hydro và xử lý môi trường, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tổng hợp và chế tạo điện cực composite trong các dự án năng lượng tái tạo, đồng thời khảo sát tính ổn định và hiệu suất trong điều kiện thực tế. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác phát triển công nghệ dựa trên kết quả này.