Tổng quan nghiên cứu

Hiđrô được xem là phương tiện lưu trữ và vận chuyển năng lượng lý tưởng nhờ mật độ năng lượng cao khoảng 140 kJ/g, vượt trội so với xăng (~40 kJ/g), đồng thời thân thiện với môi trường khi không phát sinh khí thải ô nhiễm. Công nghệ quang điện hóa tách nước (PEC) sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất hiđrô có hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 10% với chi phí hợp lý, được đánh giá là giải pháp tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong các vật liệu bán dẫn ứng dụng cho PEC, titanium dioxide (TiO2) kích thước nano nổi bật với tính chất xúc tác quang ưu việt, bền vững và không độc hại. Tuy nhiên, TiO2 có vùng cấm rộng (Eg ~3,05-3,25 eV) chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, trong khi bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 4% năng lượng mặt trời, làm hạn chế hiệu suất ứng dụng.

Để khắc phục, cấu trúc nano xốp của TiO2 được phát triển nhằm tăng diện tích bề mặt và cải thiện sự khuếch tán chất điện phân, từ đó nâng cao hiệu quả quang điện hóa. Đồng thời, vật liệu bạc iodua (AgI) với vùng cấm hẹp 2,80 eV được biến tính lên bề mặt TiO2 nhằm mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến. Tuy nhiên, AgI dễ bị phân hủy dưới ánh sáng, nên lớp phủ CdS (Eg ~2,4 eV) được phủ lên nhằm tăng độ bền và hiệu suất tách nước.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu nano TiO2 cấu trúc xốp trên đế dẫn ITO/FTO, biến tính bề mặt bằng hạt nano AgI và phủ lớp CdS, đồng thời khảo sát tính chất quang điện hóa nhằm tối ưu hóa hiệu suất tách nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với ý nghĩa góp phần phát triển vật liệu quang điện hóa hiệu quả, thúc đẩy sản xuất hiđrô sạch từ năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết bán dẫn và vùng cấm năng lượng: TiO2 tồn tại ở ba pha tinh thể chính là rutile, anatase và brookite với vùng cấm gián tiếp khoảng 3,0-3,2 eV, trong khi AgI có vùng cấm hẹp hơn 2,80 eV, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn. CdS có vùng cấm trực tiếp 2,4 eV, hỗ trợ tăng hiệu suất quang điện.

  • Nguyên lý tế bào quang điện hóa (PEC): Khi ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm chiếu vào chất bán dẫn, electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống tham gia phản ứng khử và oxi hóa nước, sinh ra hiđrô và ôxi.

  • Mô hình cấu trúc nano xốp: Cấu trúc xốp với các lỗ mao quản liên thông giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, cải thiện sự thâm nhập chất điện phân và tăng tốc phản ứng điện hóa.

  • Hiệu suất quang điện hóa: Đánh giá qua các chỉ số như hiệu suất lượng tử (QE), hiệu suất chuyển đổi photon thành hiđrô (STH), hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện dưới tác dụng thế mạch ngoài (ABPE) và hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện (IPCE).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên mẫu vật liệu nano TiO2, AgI/TiO2 và CdS/AgI/TiO2 chế tạo tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn.

  • Phương pháp chế tạo mẫu: Sử dụng phương pháp hóa ướt và thủy nhiệt để tổng hợp TiO2 cấu trúc nano xốp trên đế dẫn ITO/FTO. Biến tính bề mặt bằng cách lắng đọng hạt nano AgI qua phương pháp trao đổi ion và phủ lớp CdS bằng kỹ thuật lắng đọng hóa học.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng pha tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD), khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử quét (SEM), đo phổ hấp thụ UV-Vis phản xạ khuếch tán (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ ánh sáng. Tính chất quang điện hóa được đánh giá qua phương pháp quét thế tuyến tính (LSV) trong hệ ba điện cực dưới ánh sáng mô phỏng AM 1.5G (100 mW/cm²).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu vật liệu được chế tạo với kích thước nano đồng nhất, sử dụng các mẫu TiO2 nguyên sơ, AgI/TiO2 với các tỷ lệ AgI khác nhau (5%, 10%, 20%, 30%) và CdS phủ trên AgI/TiO2 để so sánh hiệu suất.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp mẫu, đặc trưng vật liệu và đánh giá tính chất quang điện hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và hình thái vật liệu: Kết quả XRD xác nhận sự tồn tại đồng thời pha anatase của TiO2 và pha β-AgI trên bề mặt vật liệu. SEM cho thấy cấu trúc nano xốp với các lỗ mao quản liên thông, kích thước lỗ khoảng 200 nm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự thâm nhập chất điện phân. Lớp CdS phủ đều trên bề mặt AgI/TiO2, tăng cường sự ổn định.

  2. Phổ hấp thụ ánh sáng: Phổ UV-Vis DRS cho thấy TiO2 hấp thụ chủ yếu ở vùng tử ngoại (<388 nm), trong khi AgI/TiO2 mở rộng vùng hấp thụ đến khoảng 440 nm, tương ứng với vùng khả kiến. Mẫu CdS/AgI/TiO2 có vùng hấp thụ rộng hơn, kéo dài đến 520 nm, tăng khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời.

  3. Hiệu suất quang điện hóa: Mật độ dòng quang điện của điện cực AgI/TiO2 đạt giá trị cao nhất tại tỷ lệ AgI 20%, tăng khoảng 35% so với TiO2 nguyên sơ. Khi phủ lớp CdS, mật độ dòng quang điện tăng thêm khoảng 20%, đạt giá trị tối đa 1,2 mA/cm² dưới ánh sáng mô phỏng AM 1.5G. Hiệu suất ABPE của CdS/AgI/TiO2 đạt khoảng 1,8%, cao hơn đáng kể so với các mẫu chưa phủ CdS.

  4. Độ bền điện cực: Thử nghiệm bật/tắt ánh sáng cho thấy điện cực CdS/AgI/TiO2 duy trì ổn định mật độ dòng quang điện trong hơn 5 giờ, cải thiện độ bền so với AgI/TiO2 do lớp CdS bảo vệ chống phân hủy AgI dưới ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả tăng cường quang điện hóa của AgI/TiO2 so với TiO2 nguyên sơ được giải thích bởi khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mở rộng và giảm tái hợp electron-lỗ trống nhờ hiệu ứng dị hợp chất. Việc phủ lớp CdS không chỉ mở rộng phổ hấp thụ mà còn tạo thành cấu trúc dị thể giúp phân tách hiệu quả các hạt tải, giảm thiểu tái hợp, từ đó nâng cao mật độ dòng quang điện và hiệu suất ABPE.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mật độ dòng quang điện và hiệu suất ABPE của mẫu CdS/AgI/TiO2 trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội hơn một số hệ vật liệu composite tương tự, chứng tỏ tính khả thi và hiệu quả của phương pháp chế tạo. Biểu đồ so sánh mật độ dòng quang điện giữa các mẫu TiO2, AgI/TiO2 và CdS/AgI/TiO2 minh họa rõ sự cải thiện hiệu suất theo từng bước biến tính.

Độ bền điện cực được cải thiện rõ rệt nhờ lớp CdS bảo vệ, phù hợp với yêu cầu ứng dụng thực tế trong sản xuất hiđrô bền vững. Tuy nhiên, vẫn cần nghiên cứu thêm về tối ưu hóa tỷ lệ phủ CdS và điều kiện chế tạo để đạt hiệu suất cao hơn nữa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ AgI trên TiO2: Khuyến nghị thực hiện các thí nghiệm với tỷ lệ AgI dao động quanh 15-25% để xác định điểm tối ưu về mật độ dòng quang điện và độ bền điện cực, nhằm nâng cao hiệu suất tách nước trong vòng 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu thực hiện.

  2. Phát triển kỹ thuật phủ CdS đồng đều và kiểm soát độ dày lớp phủ: Áp dụng các phương pháp lắng đọng hóa học tiên tiến để kiểm soát chính xác lớp CdS, giảm thiểu hiện tượng phân hủy AgI, nâng cao độ bền và hiệu suất quang điện trong 9 tháng tới, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu.

  3. Mở rộng nghiên cứu cấu trúc nano xốp đa dạng: Thử nghiệm các kích thước và hình dạng lỗ xốp khác nhau để tối ưu diện tích bề mặt và sự khuếch tán chất điện phân, dự kiến thực hiện trong 12 tháng, nhằm cải thiện hiệu suất quang điện hóa.

  4. Khảo sát hiệu suất trong điều kiện ánh sáng tự nhiên và quy mô lớn hơn: Thực hiện các thử nghiệm ngoài trời và trên mẫu điện cực có diện tích lớn hơn để đánh giá tính ứng dụng thực tế, dự kiến trong 1 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang điện hóa: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và biến tính vật liệu TiO2, AgI, CdS, hỗ trợ phát triển các vật liệu composite hiệu suất cao cho tách nước bằng năng lượng mặt trời.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ sản xuất hiđrô sạch: Các kết quả về hiệu suất và độ bền điện cực giúp đánh giá và lựa chọn vật liệu phù hợp cho hệ thống PEC quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành khoa học vật liệu, hóa học và kỹ thuật môi trường: Tài liệu tham khảo về phương pháp chế tạo, đặc trưng vật liệu và phân tích quang điện hóa, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để phát triển sản phẩm và ứng dụng thực tế trong sản xuất hiđrô xanh, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn TiO2 làm vật liệu nền cho quang điện hóa tách nước?
    TiO2 có tính chất xúc tác quang ưu việt, bền vững, không độc hại và trữ lượng lớn. Tuy nhiên, vùng cấm rộng chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, nên cần biến tính để mở rộng phổ hấp thụ.

  2. AgI có vai trò gì trong hệ vật liệu composite?
    AgI có vùng cấm hẹp hơn TiO2, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả, tăng mật độ dòng quang điện. Tuy nhiên, AgI dễ bị phân hủy dưới ánh sáng nên cần lớp bảo vệ như CdS.

  3. Lớp CdS phủ lên AgI/TiO2 có tác dụng gì?
    CdS giúp tăng độ bền điện cực, giảm phân hủy AgI, đồng thời mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và cải thiện phân tách hạt tải, nâng cao hiệu suất quang điện hóa.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá hiệu suất quang điện hóa?
    Phương pháp quét thế tuyến tính (LSV) trong hệ ba điện cực dưới ánh sáng mô phỏng AM 1.5G được dùng để đo mật độ dòng quang điện, từ đó tính các hiệu suất như ABPE, IPCE.

  5. Cấu trúc nano xốp ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất?
    Cấu trúc nano xốp tăng diện tích bề mặt xúc tác, tạo điều kiện cho sự thâm nhập chất điện phân và khuếch tán các sản phẩm phản ứng, giúp tăng mật độ dòng quang điện và hiệu suất tách nước.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 cấu trúc xốp trên đế dẫn ITO/FTO, biến tính bề mặt bằng hạt nano AgI và phủ lớp CdS.
  • Vật liệu AgI/TiO2 mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng mật độ dòng quang điện lên khoảng 35% so với TiO2 nguyên sơ.
  • Lớp phủ CdS nâng cao độ bền điện cực và hiệu suất quang điện hóa, đạt mật độ dòng quang điện tối đa 1,2 mA/cm² và hiệu suất ABPE khoảng 1,8%.
  • Cấu trúc nano xốp giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện sự khuếch tán chất điện phân, góp phần nâng cao hiệu quả tách nước.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang điện hóa hiệu quả, góp phần thúc đẩy sản xuất hiđrô sạch từ năng lượng mặt trời trong tương lai gần.

Tiếp theo, cần triển khai tối ưu hóa tỷ lệ AgI, kỹ thuật phủ CdS và mở rộng thử nghiệm quy mô lớn để nâng cao hiệu suất và độ bền điện cực. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển ứng dụng thực tiễn.