I. Giới thiệu về nanocomposite titan dioxit
Vật liệu nanocomposite titan dioxit (TiO2) đã thu hút sự chú ý đáng kể trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học nhờ vào các tính chất vượt trội của nó. Đặc biệt, TiO2 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang học và năng lượng, như trong pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSC). Việc kết hợp TiO2 với các vật liệu khác như graphene oxit (GO) tạo ra các vật liệu vật liệu nano có khả năng cải thiện hiệu suất quang điện. Theo một nghiên cứu gần đây, việc tổng hợp vật liệu nanocomposite TiO2/GO có thể tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp phối trộn huyền phù có thể tối ưu hóa các tính chất của vật liệu này, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc của pin DSSC.
1.1. Tính chất quang học của titan dioxit
Titan dioxit có tính chất quang học đặc biệt, cho phép nó hấp thụ ánh sáng trong phổ UV và một phần của phổ khả kiến. Nhờ vào cấu trúc tinh thể và kích thước nano, tính chất quang học của TiO2 có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kích thước hạt và hình dạng. Việc pha trộn TiO2 với graphene oxit giúp cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện và khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó tăng cường hiệu suất của pin mặt trời. Nghiên cứu cho thấy rằng, với tỉ lệ phù hợp giữa TiO2 và GO, vật liệu nanocomposite có thể đạt được hiệu suất quang điện tối ưu, điều này chứng tỏ giá trị của việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
II. Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite
Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite titan dioxit/graphene oxit được thực hiện thông qua quy trình phối trộn huyền phù. Trong nghiên cứu này, các hạt TiO2 được tổng hợp từ titan isopropoxit qua quá trình thủy phân và nung ở nhiệt độ cao. Để tạo ra graphene oxit, graphite được oxy hóa bằng phương pháp Hummers cải tiến, sau đó được khử bằng axit ascorbic để tạo thành graphene oxit dạng khử (rGO). Quá trình phối trộn huyền phù giúp tối ưu hóa tỉ lệ giữa TiO2 và rGO, từ đó cải thiện tính chất cơ học và quang học của vật liệu. Việc nghiên cứu các yếu tố như phần trăm khối lượng rGO và công suất siêu âm trong quá trình tổng hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc chế tạo các điện cực cho pin DSSC.
2.1. Quy trình tổng hợp
Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite TiO2/rGO bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, hạt TiO2 được tổng hợp từ titan isopropoxit thông qua quá trình thủy phân và nung ở nhiệt độ cao để đạt được các hạt có kích thước nano. Tiếp theo, graphene oxit được tạo ra từ graphite bằng phương pháp Hummers. Sau khi tạo ra GO, quá trình khử được thực hiện để thu được rGO. Cuối cùng, quá trình phối trộn huyền phù diễn ra với việc điều chỉnh tỉ lệ giữa TiO2 và rGO nhằm tối ưu hóa các tính chất của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc kiểm soát quy trình tổng hợp không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc mà còn đến hiệu suất quang điện của pin DSSC, cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp tổng hợp vật liệu mới.
III. Ứng dụng của vật liệu nanocomposite trong pin mặt trời
Vật liệu nanocomposite titan dioxit/graphene oxit có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSC). Việc sử dụng vật liệu này giúp tăng cường hiệu suất quang điện nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn và khả năng dẫn điện cao hơn. Các điện cực anot được chế tạo từ TiO2/rGO cho thấy hiệu quả làm việc vượt trội so với các điện cực truyền thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự kết hợp giữa TiO2 và rGO không chỉ cải thiện khả năng chuyển đổi năng lượng mà còn gia tăng độ bền của pin DSSC trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
3.1. Hiệu suất làm việc của pin DSSC
Hiệu suất làm việc của pin DSSC được đánh giá thông qua các phép đo đường đặc trưng mật độ dòng – thế (J-V) và phổ tổng trở điện hóa (EIS). Kết quả cho thấy rằng, pin DSSC được chế tạo từ vật liệu nanocomposite TiO2/rGO có hiệu suất quang điện cao hơn so với pin sử dụng vật liệu TiO2 đơn thuần. Sự cải thiện này có thể được giải thích nhờ vào việc tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu tổn thất điện năng trong quá trình chuyển đổi. Nghiên cứu đã ghi nhận rằng pin DSSC có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài, cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong các hệ thống năng lượng tái tạo.
