I. Nghiên cứu tổng hợp
Nghiên cứu tổng hợp tập trung vào việc chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nano xốp. Phương pháp chính được sử dụng là kỹ thuật khuôn mềm, sử dụng các hạt polystyrene (PS) làm khuôn. Quá trình này bao gồm việc lắng đọng các hạt PS lên đế ITO, sau đó phủ lớp TiO2 bằng phương pháp hóa ướt. Khi nung, các hạt PS bị đốt cháy, tạo ra cấu trúc nano xốp với các lỗ rỗng được kết nối. Cấu trúc này có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng quang điện hóa.
1.1. Phương pháp tổng hợp
Phương pháp tổng hợp TiO2 nano xốp dựa trên kỹ thuật khuôn mềm, sử dụng các hạt PS làm khuôn. Các hạt PS được tự sắp xếp trên đế ITO, sau đó lớp TiO2 được phủ lên bằng phương pháp hóa ướt. Quá trình nung loại bỏ các hạt PS, tạo ra cấu trúc nano xốp với các lỗ rỗng được kết nối. Phương pháp này được đánh giá là hiệu quả và tiện lợi, phù hợp với điều kiện trang thiết bị tại phòng thí nghiệm.
II. Tối ưu hiệu suất tách nước
Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa hiệu suất tách nước của vật liệu TiO2 nano xốp. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm kích thước lỗ xốp, thời gian điện phân, và cấu trúc bề mặt. Kết quả cho thấy, cấu trúc nano xốp với kích thước lỗ xốp 200 nm và thời gian điện phân 180 giây đạt hiệu suất tách nước cao nhất. Cấu trúc này tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của chất điện phân và tăng cường hiệu suất lượng tử.
2.1. Ảnh hưởng của kích thước lỗ xốp
Kích thước lỗ xốp có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tách nước. Các mẫu với kích thước lỗ xốp 200 nm cho thấy hiệu suất cao hơn so với các kích thước khác. Điều này được giải thích bởi diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng truyền điện tích hiệu quả hơn, giảm thiểu sự tái tổ hợp của cặp electron - lỗ trống.
III. Ứng dụng của TiO2 nano xốp
Vật liệu TiO2 nano xốp có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước và công nghệ nano. Ngoài việc tách nước tạo hydro, vật liệu này còn được sử dụng trong khử trùng, diệt khuẩn, và phân hủy các chất hữu cơ độc hại. Cấu trúc nano xốp với diện tích bề mặt lớn và khả năng bẫy ánh sáng mạnh giúp tăng cường hiệu suất của các phản ứng quang xúc tác.
3.1. Tách hydro từ nước
TiO2 nano xốp được sử dụng rộng rãi trong quá trình tách hydro từ nước. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro của vật liệu này đạt trên 10%, một con số ấn tượng so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, hiệu suất vẫn bị hạn chế bởi sự tái tổ hợp của cặp electron - lỗ trống và khả năng sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
IV. Công nghệ quang điện hóa tách nước
Công nghệ quang điện hóa tách nước (PEC) sử dụng vật liệu TiO2 nano xốp đạt hiệu suất cao nhờ cấu trúc bề mặt tối ưu. Các điện cực quang được chế tạo từ TiO2 nano xốp có khả năng thu ánh sáng hiệu quả, giảm thiểu sự tái tổ hợp của cặp electron - lỗ trống, và tăng cường hiệu suất lượng tử. Kết quả thực nghiệm cho thấy, điện cực với cấu trúc nano xốp 200 nm đạt mật độ dòng quang cao nhất.
4.1. Hiệu suất của PEC
Hiệu suất của hệ thống PEC phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu TiO2. Các điện cực quang với cấu trúc nano xốp cho thấy hiệu suất cao hơn so với các cấu trúc khác nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng truyền điện tích hiệu quả. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của TiO2 nano xốp trong công nghệ tách nước.
