Kosco, Iain
McCulloch và Calvyn Howells đang thảo luận về tiềm năng của chất xúc tác quang
tiến hóa hydro của nhóm (Ảnh: KAUST)
Đốt nhiên liệu hóa thạch đang dẫn
tới biến đổi khí hậu nguy hiểm, thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo
sạch hơn. Năng lượng mặt trời cho đến nay là nguồn tái tạo phong phú nhất nhưng
mở khóa tiềm năng của nó vẫn cần một phương pháp để lưu trữ năng lượng để sử
dụng sau đó.
Một phương pháp tiêu chuẩn để lưu
trữ năng lượng mặt trời là sử dụng các liên kết hóa học của hydro phân tử sử
dụng chất xúc tác quang tiến hóa hydro (HEP). Hiện tại, chất xúc tác HEP là các
chất bán dẫn vô cơ đơn thành phần. Chúng chỉ hấp thu ánh sáng ở bước sóng hồng
ngoại, làm hạn chế khả năng sản xuất hydro.
Một nhóm dẫn đầu bởi Iain
McCulloch từ Trung tâm năng lượng mặt trời của KAUST cộng tác với các nhà
nghiên cứu từ Mỹ và Anh nay vừa phát triển được vật liệu HEP được làm từ 2
vật liệu bán dẫn khác nhau. Họ kết hợp 2 vật liệu này thành các hạt nano hữu
cơ mà có thể điều chỉnh để hấp thu phổ ánh sáng nhìn thấy nhiều hơn.
“Thông thường, các chất bán dẫn
vô cơ được sử dụng cho các ứng dụng xúc tác quang. Tuy nhiên, các vật liệu này
cơ bản hấp thu ánh sáng UV vốn chỉ chiếm chưa tới 5% phổ ánh sáng mặt trời. Do
đó, hiệu suất của chúng còn hạn chế”, đồng tác giả nghiên cứu Jan Kosco cho biết.
Đầu tiên nhóm sử dụng một phương
pháp có tên nhũ hóa mini mà ở đó một dung dịch chất bán dẫn hữu cơ được nhũ hóa
trong nước với sự hỗ trợ của một chất ổn định bề mặt. Tiếp theo, họ làm nóng thể
sữa đó để loại bỏ dung môi, để lại các hạt nano bán dẫn hữu cơ được ổn định bề
mặt.
Bằng cách thay đổi chất hoạt tính
bề mặt, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát được cấu trúc các hạt nano,
chuyển đổi chúng từ một cấu trúc nhân-vỏ sang cấu trúc cho/nhận kết hợp. Cấu
trúc pha trộn này cho phép các nhà nghiên cứu đưa vào một phần tiếp nối dị thể
giữa lớp polyme nhận và lớp nonfullerene cho.
“Cả hai cấu trúc đều hấp thu ánh
sáng cùng tỷ lệ nhưng trong cấu trúc nhân-vỏ, chỉ các lỗ phát sáng mới tiếp cận
được bề mặt; tuy nhiên trong cấu trúc hỗn hợp, cả lỗ và electron đều tiếp cận bề
mặt của hạt nano, dẫn tới việc sản sinh hydro được tăng cường”, Kosco giải thích.
Vật liệu HEP cho tốc độ tiến
hóa hydro gấp 10 lần so với tốc độ mà vật liệu HEP vô cơ đơn thành phần đạt
được. Điều này đặt nền móng cho các công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp
theo.
“Chúng tôi hiện đang nghiên cứu
hiệu năng của các hạt nano được tạo hình từ sự phối trộn các chất bán dẫn khác
nhau để hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữ hoạt động và cấu trúc của chúng. Chúng
tôi cũng đang xem xét thiết kế các chất xúc tác quang hạt nano cho các phản ứng
xúc tác quang khác như tiến hóa oxy hay khử carbon dioxide”, McCulloch cho biết
thêm.
LH (Physorg)