Tổng quan nghiên cứu

Pin mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, thân thiện môi trường và có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng. Trong số các loại pin mặt trời, pin mặt trời nhuộm màu nhạy quang (Dye-sensitized solar cell - DSSC) được đánh giá cao nhờ chi phí sản xuất thấp, hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối tốt và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện ánh sáng yếu. Tuy nhiên, hiệu suất và độ bền của DSSC còn hạn chế do vật liệu catot truyền thống sử dụng bạch kim (Pt) có giá thành cao và dễ bị suy giảm hiệu suất theo thời gian.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dùng khử (Pt/rGO) nhằm chế tạo catot cho pin DSSC, với mục tiêu giảm lượng Pt sử dụng, từ đó giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện hiệu suất và độ bền của pin. Nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 9 năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng các phương pháp tổng hợp vật liệu tiên tiến và kỹ thuật in lụa để chế tạo catot.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển vật liệu catot mới có khả năng thay thế Pt truyền thống, góp phần nâng cao hiệu quả và tính kinh tế của pin DSSC, đồng thời mở rộng ứng dụng của graphene oxit trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Các chỉ số hiệu suất pin như mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc), điện áp mạch hở (Voc) và hiệu suất chuyển đổi năng lượng (η) được cải thiện rõ rệt khi sử dụng vật liệu composite Pt/rGO với tỷ lệ rGO tối ưu.

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:

  • Nguyên lý hoạt động của pin DSSC: Pin DSSC hoạt động dựa trên quá trình hấp thụ ánh sáng bởi chất nhuộm, chuyển electron từ chất nhuộm sang anot TiO2, sau đó electron di chuyển qua mạch ngoài đến catot, nơi xảy ra phản ứng khử ion iodide trong điện giải. Hiệu suất pin phụ thuộc vào khả năng truyền tải điện tử và phản ứng điện hóa tại catot.

  • Vật liệu graphene oxit và graphene oxit khử (rGO): Graphene oxit là vật liệu có cấu trúc tấm mỏng chứa nhiều nhóm chức chứa oxy, có khả năng phân tán tốt trong dung môi. Khi được khử, rGO có cấu trúc gần giống graphene với tính dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng truyền tải điện tử và xúc tác.

  • Vật liệu composite Pt/rGO: Sự kết hợp giữa hạt nano Pt và rGO tạo thành vật liệu composite có tính xúc tác cao, diện tích bề mặt lớn, giúp tăng hiệu quả phản ứng điện hóa tại catot, đồng thời giảm lượng Pt sử dụng.

Các khái niệm chính bao gồm: điện hóa học, khử oxy hóa, vật liệu nano, kỹ thuật in lụa (screen printing), và các phương pháp phân tích vật liệu như FTIR, Raman, XRD, TEM.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu graphite được sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp graphene oxit bằng phương pháp Hummers cải tiến. Hạt nano Pt được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học với các tác nhân khử khác nhau gồm vitamin C, hydrazine hydrate, natri borohydride, glucose và natri citrate.

  • Tổng hợp vật liệu: rGO được tổng hợp từ GO bằng phương pháp khử hóa học. Vật liệu composite Pt/rGO được tổng hợp bằng phương pháp huyền phù ex-situ, với tỷ lệ khối lượng rGO trong composite lần lượt là 20%, 40%, 60%, 80% và 100%.

  • Chế tạo catot và pin DSSC: Catot được chế tạo bằng kỹ thuật in lụa sử dụng keo in chứa Pt/rGO. Anot được chế tạo từ keo TiO2 thương mại. Các điện cực được ráp thành pin DSSC hoàn chỉnh.

  • Phân tích và đo lường: Các tính chất điện hóa của catot được khảo sát bằng phương pháp cyclic voltammetry (CV). Hiệu suất pin được đánh giá qua đặc tính dòng điện - điện áp (J-V) và phổ điện hóa trở kháng (EIS). Hình thái, cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu được phân tích bằng FTIR, Raman, XRD và TEM.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát tính chất từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2020; chế tạo catot và ráp pin từ tháng 6 đến tháng 8 năm 2020; đo lường hiệu suất và phân tích kết quả từ tháng 8 đến tháng 9 năm 2020.

Cỡ mẫu vật liệu composite Pt/rGO được tổng hợp với 5 tỷ lệ rGO khác nhau, mỗi mẫu được khảo sát ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu composite Pt/rGO: Vật liệu Pt/rGO được tổng hợp với tỷ lệ rGO từ 20% đến 100% có cấu trúc đồng nhất, hạt nano Pt phân tán đều trên bề mặt rGO, kích thước hạt Pt khoảng vài nanomet. Phân tích FTIR và Raman cho thấy sự giảm đáng kể các nhóm chức chứa oxy trên rGO, chứng tỏ quá trình khử hiệu quả.

  2. Tính chất điện hóa của catot Pt/rGO: Qua đo cyclic voltammetry, catot Pt/rGO với tỷ lệ rGO 60% cho dòng điện khử cao nhất, tăng khoảng 15% so với catot Pt truyền thống. Điện thế khử và oxi hóa cũng ổn định hơn, cho thấy khả năng xúc tác tốt hơn.

  3. Hiệu suất pin DSSC cải thiện rõ rệt: Pin DSSC sử dụng catot Pt/rGO 60% đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 8,5%, tăng 12% so với pin sử dụng catot Pt nguyên chất (7,6%). Mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc) tăng từ 14,2 mA/cm² lên 16,1 mA/cm², điện áp mạch hở (Voc) giữ ổn định ở khoảng 0,72 V.

  4. Ảnh hưởng số lớp phủ catot: Khi tăng số lớp phủ catot Pt/rGO từ 1 đến 10 lớp, hiệu suất pin tăng dần và đạt tối ưu ở 5 lớp, sau đó giảm nhẹ do hiện tượng che phủ quá mức làm giảm khả năng truyền tải điện tử.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu composite Pt/rGO có khả năng thay thế một phần Pt trong catot pin DSSC mà không làm giảm hiệu suất, thậm chí còn cải thiện nhờ tính dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn của rGO hỗ trợ phân tán hạt Pt tốt hơn. Sự phân bố đồng đều của hạt Pt trên rGO giúp tăng cường hoạt tính xúc tác, giảm điện trở tiếp xúc và tăng khả năng truyền electron.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất pin DSSC sử dụng Pt/rGO trong nghiên cứu này cao hơn khoảng 10-15%, nhờ tối ưu tỷ lệ rGO và số lớp phủ catot. Phổ điện hóa trở kháng (EIS) cho thấy điện trở loạn khuẩn và điện trở chuyển đổi tại catot giảm đáng kể, minh chứng cho sự cải thiện về quá trình điện hóa.

Các biểu đồ J-V và EIS có thể được trình bày để minh họa sự khác biệt hiệu suất và điện trở giữa các mẫu catot Pt/rGO và Pt truyền thống, giúp trực quan hóa hiệu quả của vật liệu composite.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ rGO trong composite Pt/rGO: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ rGO khoảng 60% để đạt hiệu suất và độ bền tối ưu cho catot DSSC. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do các phòng thí nghiệm có thể tiến hành tổng hợp và khảo sát nhanh chóng.

  2. Kiểm soát số lớp phủ catot: Đề xuất phủ catot bằng kỹ thuật in lụa với khoảng 5 lớp để cân bằng giữa hiệu suất và độ bền. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất pin DSSC trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.

  3. Nghiên cứu mở rộng vật liệu rGO từ các nguồn khác nhau: Khuyến khích nghiên cứu sử dụng graphene oxit từ các nguồn nguyên liệu khác nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1 năm.

  4. Ứng dụng vật liệu Pt/rGO trong các loại pin mặt trời khác: Đề xuất thử nghiệm vật liệu composite Pt/rGO trong pin mặt trời perovskite hoặc pin mặt trời hữu cơ để đánh giá tiềm năng mở rộng ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu năng lượng: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và đặc tính vật liệu composite Pt/rGO, hỗ trợ phát triển vật liệu catot mới cho pin mặt trời.

  2. Doanh nghiệp sản xuất pin mặt trời DSSC: Các công ty có thể áp dụng kỹ thuật tổng hợp và chế tạo catot Pt/rGO để giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  3. Sinh viên và học giả ngành hóa học vật liệu, vật lý ứng dụng: Tài liệu cung cấp kiến thức về phương pháp tổng hợp vật liệu nano, kỹ thuật in lụa và phân tích điện hóa, phù hợp cho nghiên cứu và học tập.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về vật liệu thay thế Pt giúp định hướng phát triển công nghệ năng lượng sạch, thúc đẩy sản xuất pin mặt trời hiệu quả và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Pt/rGO có ưu điểm gì so với Pt truyền thống?
    Pt/rGO giảm lượng Pt sử dụng, giảm chi phí, đồng thời tăng diện tích bề mặt xúc tác và khả năng truyền điện nhờ rGO, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền pin DSSC.

  2. Phương pháp tổng hợp Pt/rGO có phức tạp không?
    Phương pháp tổng hợp ex-situ sử dụng khử hóa học và huyền phù đơn giản, dễ kiểm soát, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp nhỏ.

  3. Tỷ lệ rGO ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất pin?
    Tỷ lệ rGO khoảng 60% là tối ưu, giúp cân bằng giữa khả năng xúc tác của Pt và tính dẫn điện của rGO, tăng hiệu suất pin lên khoảng 12% so với Pt nguyên chất.

  4. Có thể áp dụng vật liệu Pt/rGO cho các loại pin khác không?
    Có thể, vật liệu Pt/rGO có tiềm năng ứng dụng trong pin perovskite, pin hữu cơ nhờ tính chất dẫn điện và xúc tác tốt, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm.

  5. Kỹ thuật in lụa có ưu điểm gì trong chế tạo catot?
    In lụa cho phép phủ vật liệu đồng đều, kiểm soát độ dày lớp phủ, chi phí thấp và dễ dàng áp dụng cho sản xuất hàng loạt, phù hợp với vật liệu Pt/rGO.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite Pt/rGO với tỷ lệ rGO tối ưu 60%, phân tán hạt Pt đồng đều trên bề mặt rGO.
  • Catot Pt/rGO thể hiện tính chất điện hóa vượt trội so với catot Pt truyền thống, tăng dòng điện khử và ổn định điện thế.
  • Pin DSSC sử dụng catot Pt/rGO đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 8,5%, cao hơn 12% so với pin dùng catot Pt nguyên chất.
  • Số lớp phủ catot tối ưu là 5 lớp, cân bằng hiệu suất và khả năng truyền tải điện tử.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu catot mới, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả pin mặt trời nhuộm màu nhạy quang.

Các bước tiếp theo: Mở rộng nghiên cứu vật liệu Pt/rGO cho các loại pin khác, tối ưu quy trình sản xuất và đánh giá độ bền lâu dài của pin.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng nên hợp tác phát triển và ứng dụng vật liệu Pt/rGO để thúc đẩy công nghệ pin mặt trời sạch, hiệu quả và kinh tế.