7. Cấu trúc của đề tài
1.5. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU ỨNG QUANG
ĐIỆN HÓA TÁCH NƢỚC (CÁC HỆ VẬT LIỆU LÀM QUANG ĐIỆN CỰC)
Chuyển đổi quang điện hóa (PEC) dựa trên vật liệu bán dẫn là cách tiếp cận quan trọng và đầy hứa hẹn đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời với lượng khí thải cacbon giảm thiểu. Đây là một trong những phương pháp tiên tiến nhất trong sản xuất hidro - khi ánh nắng mặt trời chiếu tới các tế bào PEC, năng lượng mặt trời được hấp thụ và dùng để tách các phân tử nước
thành hidro và oxi. Một trong những thách thức lớn nhất mà công nghệ tách nước PEC, cũng như các kỹ thuật chuyển hóa năng lượng mặt trời khác phải đối mặt, đó là việc lựa chọn và thiết kế vật liệu/cấu trúc bán dẫn để chế tạo quang điện cực (photoelectrode), do những yêu cầu khắt khe về độ ổn định quang điện hóa, kích thước khe vùng và vị trí bờ dải thích hợp, tốc độ chuyển điện tích nhanh và tái hợp thấp, và tiến triển hiđro/oxi hiệu quả. Ngoài ra, sự lãng phí năng lượng oxi hóa trong sản xuất oxi từ tách nước và sự thất thoát năng lượng điện khi dẫn các dòng điện tử vào một thiết bị tích trữ năng lượng bên ngoài, là hai yếu tố quan trọng khác gây hạn chế việc sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời. Do đó, các nhà nghiên cứu tập trung chủ yếu nghiên cứu các mô hình cấu trúc vật liệu làm quang điện cực để nâng cao hiệu suất tách nước của kỹ thuật quang điện hóa. Vì những mô hình cấu trúc của nano một chiều như dây nano, ống nano và thanh nano,… có thể cải thiện khả năng vận chuyển hạt tải và giảm sự mất quang nhờ vào những con đường dẫn liên tục và khả năng chống phản xạ [34] nên được nghiên cứu nhiều nhất. Một ví dụ điển hình như, Grimes và cộng sự [35], [36] đã sử dụng ống nano TiO2 dưới bức xạ của ánh sáng UV để nâng cao hiệu suất tách nước và cho thấy hiệu suất tăng từ 6,8% lên đến 16,25%.
Trong thời gian gần đây, nhờ vào những ưu điểm nỗi trội như sau: khả năng bẫy ánh sáng, khả năng vận chuyển điện tử nhanh và diện tích bề mặt lớn của những cấu trúc nano phân nhánh ba chiều. Do đó, những cấu trúc này đã và đang được quan tâm nghiên cứu cho ứng dụng làm điện cực quang trong tế bào quang điện hóa tách nước [37]. Chẳng hạn, cấu trúc nano TiO2 dạng nhánh ba chiều và cho thấy mật độ dòng quang khá cao 0,83 (mAcm-2
), cao gấp gần 3 lần so với cấu trúc thanh nano (0,31 mAcm-2) và gần 8 lần so với cấu trúc hạt nano do nhóm nghiên cứu của Thomas F. Jaramillo và Xiaolin Zheng [38]đã chế tạo thành công. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm
của chất xúc tác quang TiO2 khá lớn (3,2 eV), do đó ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ≤ 387 nm, nghĩa là phải nằm trong miền tử ngoại của phổ ánh sáng mặt trời. Nó chỉ hấp thu được khoảng 2,5% năng lượng trong vùng ánh sáng tử ngoại trong khi ánh sáng khả kiến chiếm đến 40% phổ năng lượng ánh sáng mặt trời. Mặt khác, tùy vào điều kiện mà phản ứng tái kết hợp sản phẩm H2 và O2 xảy ra ở mức độ khác nhau trong quá trình thực hiện phản ứng phân rã nước trên TiO2 nên phản ứng ngược này cũng là nguyên nhân dẫn đến làm giảm hiệu quả phân rã nước.
Vì vậy, để nâng cao hiệu suất tách nước của kỹ thuật quang điện hóa, cho đến nay đã có rất nhiều cách để thực hiện như: doping, nhạy với các chấm lượng tử, kết cặp với vật liệu có khe năng lượng thấp hoặc xây dựng những cấu trúc tiếp xúc khác loại [21], [39], [40], [41]. Trong số đó, sự kết hợp với vật liệu có khe năng lượng nhỏ đã cho thấy sự cải thiện hiệu quả của hiệu suất tách nước. Ví dụ như: Choi đã chế tạo cấu trúc CdS và CuInS2 cùng nhạy dây nano ZnO, đã cho thấy mật độ dòng quang lên đến 13,8 (mA.cm-2) tại thế 0,3 V dưới bức xạ của ánh sáng mặt trời [42]. Zou đã tổng hợp cấu trúc thanh nano đứng thẳng tiếp xúc p-n Cu2O/ZnO, đã cho thấy sự cải thiện khả năng xúc tác quang đáng kể dưới bức xạ của ánh sáng nhìn thấy khi so sánh với cấu trúc đơn Cu2O và ZnO [43]. Gần đây nhất, một hướng mới đã được phát triển để nâng cao hiệu suất tách nước đó là sử dụng quang điện cực cấu trúc lõi - võ dây nano ZnO/ZnS/CdS/CuInS2 tăng cường hoạt tính quang điện hóa dưới tác dụng của ánh sáng nhìn thấy được chế tạo thành công bằng phương pháp trao đổi ion và thủy nhiệt. Như một quang điện cực chuyển tiếp p-n, cấu trúc dị thể ZnO/ZnS/CdS/CuInS2 thể hiện hoạt tính tách nước quang điện hóa cao hơn màng nano ZnO/ZnS/CdS và ZnO/ZnS. Màng ZnO/ZnS/CdS/CuInS2 với thành phần tối ưu cho dòng quang điện cao nhất là 10.5 mA/cm2 và IPCE khoảng 57,7% ở 480 nm và độ chênh thế là 0 V với
Ag/AgCl [41]. Vai trò của CdS và ZnS trong cấu trúc dị thể ZnO/ZnS/CdS/CuInS2 cũng được nghiên cứu. ZnS đóng vai trò là lớp màng thụ động hóa, triệt tiêu sự tái kết hợp của các quang điện tích sinh ra ở bề mặt của oxit và CuInS2. CdS tăng cường sự hấp thụ của ánh sáng nhìn thấy và hình thành cấu trúc p-n với CuInS2, thúc đẩy sự vận chuyển điện tích và kiềm hãm sự tái kết hợp của điện tử và lỗ trống trong CuInS2 để cải thiện sự đáp ứng quang điện hóa của cấu trúc dị thể ZnO/ZnS/CdS/CuInS2.
Mặc dù hiệu suất tách nước của kỹ thuật này gần đây đã được cải thiện đáng kể, tuy nhiên chúng cần phải tiếp tục nghiên cứu để cải thiện thêm nữa cho khả năng ứng dụng thực tế.