I. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu TiO2 AgI
Nghiên cứu và chế tạo vật liệu TiO2-AgI là trọng tâm của đề tài này. Vật liệu TiO2 được biết đến với tính ổn định hóa học và khả năng hấp thụ ánh sáng, nhưng khe năng lượng lớn (3,0-3,2 eV) hạn chế hiệu suất quang điện hóa. Để khắc phục, AgI được kết hợp với TiO2 nhờ độ rộng khe năng lượng nhỏ hơn (2,80 eV), giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến. Quá trình chế tạo bao gồm việc tạo cấu trúc thẳng đứng của TiO2 trên đế FTO, sau đó biến tính bề mặt bằng AgI và phủ thêm lớp CdS để tăng độ bền và hiệu suất.
1.1. Cấu trúc vật liệu TiO2 AgI
Cấu trúc vật liệu TiO2-AgI được thiết kế với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất quang điện hóa. TiO2 được chế tạo dưới dạng thanh nano thẳng đứng trên đế FTO, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển điện tử. AgI được phủ lên bề mặt TiO2 để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Lớp CdS được thêm vào để bảo vệ AgI khỏi sự phân hủy dưới ánh sáng và tăng cường hiệu suất tách nước.
1.2. Phương pháp chế tạo
Quy trình chế tạo bao gồm các bước chính: chuẩn bị đế FTO, tạo cấu trúc thanh nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt, biến tính bề mặt bằng AgI thông qua phương pháp kết tủa, và phủ lớp CdS bằng phương pháp hóa ướt. Các phương pháp phân tích như SEM, XRD, và UV-Vis được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu.
II. Quá trình tách nước quang điện hóa
Quá trình tách nước quang điện hóa là ứng dụng chính của vật liệu TiO2-AgI. Quá trình này chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu hydro thông qua phản ứng phân hủy nước. Vật liệu TiO2-AgI đóng vai trò là điện cực quang, hấp thụ ánh sáng và tạo ra các hạt tải điện để thúc đẩy phản ứng tách nước. Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tử của vật liệu.
2.1. Cơ chế quang điện hóa
Cơ chế quang điện hóa của TiO2-AgI bao gồm các bước: hấp thụ photon, tạo cặp điện tử-lỗ trống, tách cặp điện tử-lỗ trống, và thúc đẩy phản ứng oxy hóa-khử tại bề mặt điện cực. TiO2 hấp thụ ánh sáng UV, trong khi AgI mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến. Lớp CdS giúp ổn định AgI và tăng cường hiệu suất tách nước.
2.2. Đánh giá hiệu suất
Hiệu suất của quá trình tách nước quang điện hóa được đánh giá thông qua các thông số như mật độ dòng quang, hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện (IPCE), và độ bền của điện cực. Các kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu TiO2-AgI có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất tách nước so với TiO2 nguyên chất.
III. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu và chế tạo vật liệu TiO2-AgI có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng tái tạo. Quá trình tách nước quang điện hóa sử dụng vật liệu TiO2-AgI có thể góp phần giải quyết vấn đề khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường. Hiệu suất cao và độ bền của vật liệu mở ra triển vọng ứng dụng trong sản xuất hydro sạch từ năng lượng mặt trời.
3.1. Ứng dụng trong sản xuất hydro
Vật liệu TiO2-AgI có tiềm năng lớn trong việc sản xuất hydro từ nước bằng năng lượng mặt trời. Hydro được coi là nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo, giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Hiệu suất cao của quá trình tách nước quang điện hóa sử dụng TiO2-AgI có thể thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong tương lai.
3.2. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu này góp phần làm phong phú thêm các phương pháp chế tạo và biến tính vật liệu TiO2, đồng thời cung cấp hiểu biết sâu hơn về cơ chế quang điện hóa tách nước. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như xúc tác quang, pin mặt trời, và xử lý môi trường.
