4. Cấu trúc của đề tài
1.5. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Quá trình xúc tác điện hóa nổi lên nhƣ một công nghệ hứa hẹn nhất để tạo ra nhiên liệu tái tạo, bằng chứng là sự gia tăng đáng kể số lƣợng ấn phẩm trong vài thập kỷ qua. Tuy nhiên, chỉ gần đây các nhà nghiên cứu mới phát hiện ra rằng sự kết hợp của các hạt nano plasmonic có thể điều khiển đƣợc xúc tác điện hóa thông qua hiệu ứng LSPR.
Là một phƣơng pháp sáng tạo để tăng hiệu suất HER, gần đây, Chen và các cộng sự đã công bố một hệ thống xúc tác điện hóa của các thanh nano plasmonic vàng (Au NR) và tấm nano MoS2 đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp phân tách hóa học (ce-MoS2) cho quá trình tiến hóa hydro (HER), các “hot” electron đƣợc tạo ra thông qua hiệu ứng plasmon bề mặt có thể làm tăng đáng kể hiệu suất xúc tác tổng thể. Các thanh nano vàng đƣợc giới thiệu thể
hiện hai tiêu chí thiết yếu đó là thanh nano vàng không chỉ có chức năng khai thác ánh sáng hiệu quả (nguồn sáng laser 808nm) mà còn chuyển đổi các photon thành các “hot” electron. So với những báo cáo về quá trình HER khi chỉ sử dụng tấm nano MoS2 trƣớc đây, vật liệu mới này cho dòng điện tăng khoảng 3 lần và tần số quay vòng (turnover frequency) 8,76 s-1 đƣợc chiếu dƣới tia laser 808nm. Mức quá thế (overpotential) cũng giảm thêm từ 300 xuống 120 mV [53].
Zhang và các cộng sự cũng báo cáo một thành tựu nghiên cứu tƣơng tự bằng cách hình thành vật liệu nano composite với Au. Các hạt nano vàng (<10nm) và các hạt nano carbon pha tạp nitơ (PNC) xúc tác hiệu quả cho quá trình HER. Khi kích thích với nguồn sáng laser 530nm, dẫn đến sự gia tăng dòng điện gấp 4 lần và giảm mức quá thế từ 196 xuống 99 mV ở 10 mA.cm2
[54].
Đối với phản ứng tiến hóa oxy (OER), các hệ thống xúc tác điện hóa do tăng cƣờng plasmon hiếm khi đƣợc báo cáo vì khó đạt đƣợc hoạt động cao của phản ứng OER nói chung[55, 56]. Thành tựu đáng chú ý nhất đƣợc thực hiện bởi Ye và các cộng sự. Họ đã kết hợp các hạt nano Au với các hạt nano Ni(OH)2 trong môi trƣờng KOH 1M cho các phản ứng OER. Kết quả nghiên cứu trên phức hợp Ni(OH)2–Au cho thấy hiệu suất quá trình OER tăng 4 lần và mức quá thế giảm mạnh từ 330mV xuống 270 mV ở mật độ dòng 10 mA.cm-2. Bên cạnh đó, tốc độ chuyển hóa (turnover) ở các vùng bề mặt đặc biệt khi đƣợc phân tích cũng cho thấy sự tăng đáng kể ở mức 20.10-3 s-1. Các nghiên cứu tƣơng tự trên các gốc kim loại Fe và Co cũng cho thấy kết quả là việc kết hợp các hạt nano vàng vào các gốc kim loại trong thực tế tạo ra đƣợc các trạng thái hóa trị cao cho các xúc tác dựa trên kim loại chuyển tiếp tƣơng ứng giúp tăng hiệu suất OER.[55]
Theo công thức Arrhenius, hiệu suất phản ứng đƣợc đánh giá thông qua công thức xác định hằng số tốc độ phản ứng a E RT k Ae . Do đó, để nâng cao hiệu suất ORR, có thể thay đổi hệ số nhân (A) và năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng (Ea) [57]. Gần đây, Yang và các cộng sự đã công bố một số nghiên cứu cho thấy hệ số nhân và năng lƣợng hoạt động của ORR có thể đƣợc điều chỉnh đáng kể bằng cách thêm vào hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt, thông qua việc tăng cƣờng hiệu ứng trƣờng gần (near – field) dẫn đến tăng cƣờng điện trƣờng bề mặt của chất xúc tác tạo điều kiện cho sự hấp phụ của phân tử O2 [58].
Việc nghiên cứu kết hợp hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon vào quá trình xúc tác điện hóa là một lĩnh vực mới và hấp dẫn các nhà nghiên cứu. Nó mở ra một hƣớng đi đầy hứa hẹn và đột phá trong công nghệ xúc tác giúp tạo ra nguồn năng lƣợng tái tạo. Trên thế giới, các báo cáo về ứng dụng của hiện tƣợng của hiện tƣợng công hƣởng plasmon vào các quá trình xúc tác điện hóa vẫn còn khan hiếm. Trong nƣớc, hiện tại chúng tôi vẫn chƣa tìm thấy bất cứ một công bố nghiên cứu nào về lĩnh vực này.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
Từ nhiều nghiên cứu khác nhau đã cho thấy việc sử dụng vật liệu có cấu trúc xốp nano với diện tích bề mặt cao, đồng thời kết hợp với các hạt nano plasmon làm chất xúc tác cho các quá trình điện hóa với hiệu suất rất tốt. Trên cơ sở đó, chúng tôi tổng hợp vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano mọc trực tiếp trên đế bọt Niken, sau đó, các hạt nano plasmon Au đƣợc tối ƣu hóa và phân tán lên vật liệu xúc tác có cấu trúc xốp nano để tạo ra vật liệu điện hóa có hoạt tính xúc tác đƣợc nâng cao nhờ sự góp phần của các hạt nano plasmon. Quy trình chế tạo mẫu cũng nhƣ phƣơng pháp khảo sát tính chất của mẫu đƣợc trình bày chi tiết ở các mục sau.