MỞ ĐẦU Ngày nay, khi nền kinh tế càng phát triển, nhu cầu về nguồn nhiên liệu ngày càng tăng tuy nhiên nguồn nhiên liệu hóa thạch hiện tại không đủ để đáp ứng đƣợc yêu cầu về nhiên liệu trên thế giới. Năm 2022, chúng ta đã chứng kiến cuộc khủng khoảng về nhiên liệu ở châu Âu khi xảy ra xung đột giữa Nga và Ukraina. Trƣớc đó, Trung Quốc và Ấn Độ cũng là hai quốc gia Châu Á có nền công nghiệp bị ảnh hƣởng bởi việc thiếu nhiên liệu. Bên cạnh việc ảnh hƣởng trực tiếp đến nền kinh tế thì việc sử dụng các nguồn nhiên nhiệu nhƣ than đá, dầu mỏ, khí đốt, v.
còn gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng do quá trình khai thác hay lƣợng khí CO2 sinh ra khi đốt cháy các nhiên liệu trên. Hƣớng đi dài hạn để giải quyết vấn đề năng lƣợng đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang nghiên cứu, sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch và dồi dào để dần thay thế cho các loại nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu hydrogen là một trong những nguồn nguyên liệu sạch mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế và thân thiện với môi trƣờng. Phƣơng pháp quang điện hóa tách nƣớc (PEC) là phƣơng pháp chuyển đổi nguồn năng lƣợng vô tận từ ánh sáng mặt trời với sự có mặt của điện cực quang để tách đƣợc hydrogen từ nƣớc là phƣơng pháp mang lại hiệu quả tốt.
Trong kĩ thuật PEC, điện cực quang đóng vai trò quan trọng, do đó các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc chế tạo điện cực quang có hiệu suất chuyển đổi tốt hƣớng tới khả năng ứng dụng thực tế của kĩ thuật này. Các oxide kim loại ở cấu trúc nano có nhiều lợi thế về quang xúc tác tuy nhiên ngoài những ƣu điểm thì chúng vẫn còn tồn tại khuyết điểm do đó sự kết hợp giữa các oxide hứa hẹn sẽ khắc phục đƣợc các hạn chế và mang lại hiệu quả quang xúc tác tốt hơn. Với mong muốn tìm đƣợc một loại vật liệu phù hợp, tôi đã lựa chọn kết hợp giữa ZnO và Cu2O do đây là các oxide có khả năng ứng dụng cao, nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ chế tạo. Do đó mục tiêu đề tài gồm: - Vật liệu composite Cu2O/ZnO đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp điện hóa điều khiển bởi các phản ứng hóa học xảy ra trong dung dịch.
1 - Nghiên cứu các đặc trƣng hình thái, cấu trúc của vật liệu của vật liệu chế tạo đƣợc. - Nghiên cứu tính chất xúc tác quang hóa tách nƣớc của vật liệu chế tạo đƣợc. TỔNG QUAN 1. Giới thi u về xúc tác ng ch nƣớc Sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch và những hậu quả của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhƣ sự phát thải của hiệu ứng nhà kính gây ô nhiễm môi trƣờng và biến đổi khí hậu thì việc tìm kiếm một nguồn năng lƣợng mới luôn đƣợc thế giới quan tâm [1].
Một trong những giải pháp theo đuổi hiện nay đó là chuyển đổi năng lƣợng bằng cách tìm những nguồn năng lƣợng thay thế. Xu hƣớng nổi bật trong ngành sản xuất ô tô hiện nay là chuyển từ xe chạy bằng xăng, dầu sang xe điện trong đó xe điện sử dụng những hệ pin có khả năng lƣu trữ một lƣợng điện lớn. Việc chuyển đổi từ xe điện sang xe xăng dẫn đến sự giảm phát thải một lƣợng lớn khí gây hiệu ứng nhà kính. Vì thế nhiều quốc gia đang hƣớng tới những chính sách nhằm phát triển xe điện thay thế dần xe xăng dẫn đến một cuộc cách mạng trong ngành sản xuất xe điện.
Các hãng xe truyền thống chuyển sang sản xuất xe điện và các “startup” xe điện mọc lên với một số lƣợng vô cùng lớn khiến chúng trở nên cạnh tranh khốc liệt [7]. Cơ quan Năng lƣợng Quốc tế (IEA) tuyên bố vào ngày 1 tháng 5 rằng sự chuyển đổi công nghiệp quy mô lớn này đánh dấu “sự chuyển đổi từ hệ thống sử dụng nhiều nhiên liệu sang hệ thống năng lƣợng sử dụng nhiều vật liệu. Do đó trong tƣơng lai với lƣợng xe điện tăng phổ biến, lƣợng vật liệu mang trong những quả pin điện mà chúng mang theo sẽ là một thách thức. Số lƣợng khác nhau tùy thuộc vào loại pin và kiểu xe, nhƣng một bộ pin lithium-ion cho ô tô (thuộc loại đƣợc gọi là NMC532) có thể chứa khoảng 8 kg lithium, 35 kg niken, 20 kg mangan và 14 kg chất mangan, coban, theo số liệu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne [2].
Đó là vấn đề về môi trƣờng gián tiếp thông qua khâu sản xuất pin, bởi thành phần của pin là những kim loại chuyển tiếp nhƣ Co, Ni, và đặc biệt là các kim loại đất hiếm. Nó đánh dấu Việc khai thác chúng đã mang đến những hiểm họa môi trƣờng lớn. Do đó, tái chế pin, giảm thiểu sử dụng kim loại đất hiếm đang là thử thách lớn trong ngành xe điện [2], [15]. Nhƣ vậy có thể thấy, chuyển đổi từ xe xăng sang xe điện giúp giảm thải việc sử dụng nhiên 3 liệu hóa thạch nhƣng lại chuyển sang sử dụng kim loại và nhiều loại vật liệu khác nhau.
Do đó, đây có thể chỉ là giải pháp tạm thời làm giúp giảm thải lƣợng phát thải và ô nhiễm không khí trong các đô thị nhƣng lại đẩy sự ô nhiễm ra những vùng khai thác kim loại và vẫn góp phần làm ô nhiễm môi trƣờng chung của Trái Đất. Do đó việc tìm kiếm hoặc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lƣợng vẫn đang tiếp tục phát triển. Một trong những nguồn nhiên liệu quan trọng trong tƣơng lai đó là nhiên liệu hydrogen. Hydrogen, nguyên tố dồi dào nhất trong Trái Đất và Vũ Trụ, đồng thời có năng lƣợng trên mỗi khối lƣợng cao nhất.
Hydrogen gần đây đã đƣợc chứng minh là nguồn năng lƣợng khả thi trong các lĩnh vực vận tải, làm mát và sƣởi ấm, đồng thời đi kèm với sự tiến bộ trong công nghệ nén và lƣu trữ. Hiện tại, việc sản xuất hydrogen chủ yếu dựa trên quá trình cải cách khí đốt tự nhiên, đây là quá trình hoàn thiện với cơ sở hạ tầng đƣờng ống dẫn khí đốt tự nhiên hiện có. Khí methane trong khí tự nhiên đƣợc xử lý nhiệt để tạo ra hydrogen bằng quá trình tái tạo và oxy hóa hơi nƣớc - methane. Điều đó có nghĩa là quá trình sản xuất không thể tái tạo đƣợc và tạo ra khí nhà kính nhƣ một sản phẩm phụ.
Hydrogen có thể đƣợc điều chế bằng cách tách nƣớc và khi sử dụng, chúng bị oxy hóa để tạo năng lƣợng cho các thiết bị hoạt động thì sản phẩm chỉ là nƣớc, hoàn toàn trong sạch với môi trƣờng. Điện phân nƣớc bằng phƣơng pháp truyền thống có thể tạo ra hydrogen, tuy nhiên lƣợng điện tiêu thụ là vô cùng lớn, và do đó phƣơng pháp này không thể đƣợc sử dụng để tạo nhiên liệu hydrogen. Những nghiên cứu hiện nay tập trung vào sản xuất nhiên liệu hydrogen bằng cách dùng năng lƣợng ánh sáng Mặt Trời để tách hydrogen và oxygen từ nƣớc mô phỏng tƣơng tự nhƣ quá trình quang hợp. Nhƣ vậy năng lƣợng Mặt Trời đƣợc sử dụng để tách nƣớc tạo hydrogen và sau đó hydrogen lại đƣợc sử dụng trong các hoạt động sống của con ngƣời.
Đây là quá trình sạch, không gây 4 ô nhiễm nhƣng điểm mẫu chốt là chúng ta cần có hệ vật liệu để xúc tác cho quá trình chuyển đổi năng lƣợng đó. Các cách tiếp cận sản xuất nhiên liêu hydrogen từ năng ƣ ng Mặt Trời 1. Tách nước xúc tác quang hóa (PC water Splitting) Tách nƣớc xúc tác quang hóa là quá trình chỉ sử dụng ánh sáng và chất bán dẫn dạng hạt để tách nƣớc thành H2 và O2 trong điều kiện êm dịu Hình 1.1 cho thấy khi một chất bán dẫn hấp thụ các photon có năng lƣợng vƣợt quá dải cấm, các electron và lỗ trống đƣợc tạo ra, sau đó khuếch tán đến bề mặt bán dẫn để tạo ra các phản ứng khử và oxy hóa tƣơng ứng, tức là phản ứng tạo hydrogen (hydrogen evolution reaction: HER) và phản ứng tạo oxygen (oxygen evolution reaction: OER). Do hạn chế về nhiệt động lực học, chất xúc tác quang bán dẫn có khả năng kích hoạt phản ứng tách nƣớc phải có dải dẫn tối thiểu (conduction band minimum: CBM) với thế năng nhỏ hơn HER (H+/H2, 0 V so với điện cực hydrogen thông thƣờng (NHE) tại pH = 0) và mức tối đa dải hóa trị (vanlence band maximum: VBM) với thế năng cao hơn OER (O2/H2O, +1,23 V so với NHE ở pH = 0).
Ngoài ra, để đảm bảo độ bền của chất xúc tác quang trong phản ứng, khả năng phân hủy oxy hóa và khử của chất bán dẫn phải nhỏ hơn và cao hơn thế năng H+/H2 và O2/H2O tƣơng ứng. Những yêu cầu này hạn chế rất nhiều việc lựa chọn chất bán dẫn phù hợp hoạt động để tách nƣớc PC. Tách nước xúc tác quang điện hóa (PEC water splitting) Một tế bào PEC điển hình bao gồm hoặc một photoanode bán dẫn loại n cho OER hoặc một photocathode dựa trên chất bán dẫn loại p cho HER và điện cực đối cho nửa phản ứng còn lại. Không cần thiết để CBM và VBM của photoanode và photocathode đồng thời nằm giữa các điện thế O2/H2O và H+/H2, miễn là CBM/VBM của photocathode/photoanode nhỏ hơn/cao hơn 5 điện thế xảy năng khử/oxy hóa nƣớc, vì độ lệch bên ngoài thƣờng đƣợc áp dụng để thúc đẩy các phản ứng oxy hóa khử.
Tách nước xúc tác quang điện – điện hóa (PV-EC water spilitting) Theo định nghĩa, hệ thống PV-EC đƣợc tạo thành từ hai phần riêng biệt: tế bào quang điện và máy điện phân. Tế bào PV đƣợc sử dụng để hấp thụ năng lƣợng mặt trời để tạo ra điện có thể truyền trực tiếp đến tế bào EC để tách nƣớc thành H2 và O2 riêng biệt ở cực âm và cực dƣơng. Tế bào PV thƣờng đƣợc nối với cực âm và cực dƣơng nhƣng hoàn toàn không có chất điện phân nƣớc, do đó ngăn ngừa sự ăn mòn do nƣớc gây ra. Cả pin PV và điện phân nƣớc đều đã trƣởng thành về mặt kỹ thuật và đã đƣợc thƣơng mại hóa, đây là ƣu điểm chính của việc tách nƣớc PV-EC so với tách nƣớc PC và PEC.
Hiệu suất của pin quang điện thƣơng mại và máy điện phân lần lƣợt là >18% và nằm trong khoảng 60−83%, do đó có thể dễ dàng đạt đƣợc hiệu suất từ năng lƣợng mặt trời đến H2 cao lớn hơn 10%. Các tiếp cận khác Ngoài ra các tiếp cận kết hợp khác sau đây. Tách nƣớc nhiệt hóa dùng năng lƣợng Mặt Trời (Solar thermochemical water spilitting: STC water splitting).