Từ mụ hỡnh quang điện húa cú thể phỏt triển một sốứng dụng khỏc trong lĩnh vực quang phõn ly hoặc quang tổng hợp để điều chế chất, thu hồi kim loại trong nước thải, làm sạch và xử lý mụi trường... Đõy là những hướng đang được quan tõm nghiờn cứu vỡ thuộc loại cụng nghệ "húa học ờm dịu" (Soft Chemistry) cú khả năng tận dụng năng lượng bức xạ mặt trời.
Để tăng thờm khả năng nhậy quang và hoạt tớnh quang điện húa của vật liệu bỏn dẫn, thay vỡ sử dụng vật liệu ở dạng bản cực, gần đõy người ta chỳ ý chế tạo dạng hạt. Thật vậy sự phỏt hiện những tớnh chất đặc biệt về vật lý và húa học của vật liệu cú kớch thước hạt cỡ nanụmet (10-9 m) đó tạo ra những phỏt triển nhẩy vọt trong nhiều lĩnh vực cụng nghệ (chẳng hạn vật liệu bỏn dẫn với những hiệu ứng chấm lượng tử như CdS, Si; vật liệu từ với những hạt đơn vựng dựng để tớch trữ thụng tin mật độ cao; làm lạnh bằng con đường từ húa; vật liệu gốm với tỷ số biờn hạt trờn thể tớch cao tựy theo cú thể tạo ra những tớnh chất siờu cứng hoặc siờu dẻo v.v..). Riờng trong lĩnh vực chuyển húa năng lượng, vật liệu bỏn dẫn hạt nano (~ 1,5ữ5.10-9 m) cú những tớnh chất quang sắc, điện sắc, quang xỳc tỏc cũng như quang điện húa đặc biệt hấp dẫn, sẽ mở ra những triển vọng ứng dụng mới cho thế kỷ tới.
Hỡnh II.52. (1) Hệ xử lý nước thải theo cụng nghệ quang điện húa. (2) Cấu trỳc vựng.
• Đầu tiờn ta hóy hỡnh dung về một giải phỏp xử lý nước thải bằng cụng nghệ quang điện húa sử dụng hạt huyền phự TiO2 trong điều kiện chiếu bức xạ mặt trời ở sơđồ nguyờn lý hỡnh II.52: Nước thải dẫn vào ống thủy tinh trong suốt (1) chứa huyền phự hạt TiO2. Mỗi hạt làm việc với một cấu trỳc vựng như ta đó biết (2) cú tớnh chất như một vi pin quang điện húa; để tăng hoạt tớnh xỳc tỏc điện húa trờn bề mặt hạt TiO2 người
ta kết tủa cỏc tõm xỳc tỏc Pt hoặc RuO2 (3). Nhờ vậy hỡnh thành cỏc
khu vực cục bộ oxi húa và khử nằm lõn cận nhau, quóng đường phản
ứng rất ngắn nờn quỏ trỡnh xảy ra gần như in situ, khụng cần hướng cỏc dũng điện tử chạy qua mạch ngoài như trong cỏc tế bào điện húa quen
thuộc. Sự phõn tỏn cỏc vi pin quang điện húa trong mụi trường phản
ứng cú thể thực hiện cỏc nhiệm vụ làm sạch mụi trường như:
Giảm độ pH: 2 H+ + 2 e– Pt H2↑
Cung cấp oxi cho nhu cầu sinh học: 2 H2O + 4 h+ RuO2 O2↑ + 4 H+
Khử ion kim loại độc hại: Mn+ + n e– Pt M
Phõn hủy quang xỳc tỏc cỏc độc tố hữu cơ như 4-chlorophenol:
4-chlorophenol + h+ ECAP CO2↑ + HCl
(h+ thường bị cỏc nhúm OH– bề mặt túm bắt để tạo cỏc gốc OH• hoạt tớnh mạnh cú khả năng oxi húa cỏc chất hữu cơ. Cụng nghệ ACAP viết tắt từ chữElectrochemical assisted photocatalytic process).
Bảng II.5: Hệđiện cực Dạng tế bào điện húa Sản phẩm Nguyờn liệu Ghi chỳ n-MoSe2/p-InP n-WSe2/p-SW2 p-n H2, Br2, I2 HBr, HI trong nước biển n-MoSe2, n-MoSe2 (Pt) QĐP H2, SO42- SO2, H2O, H+ chu trỡnh
Westinghouse p-GaP TiO2/α-Fe2O3 QXT NH3 N2, H2O, H+ cốđịnh đạm p-GaP QĐP CH3OH, CH2O CO2, H2O, H+ nhiờn liệu cacbua hydro
Ghi chỳ về dạng tế bào điện phõn: p-n : diot quang điện húa QĐP: quang điện phõn
QXT: quang xỳc tỏc.
Hiệu quả của cụng nghệ xử lý quang điện húa bằng hệ huyền phự bỏn dẫn phụ thuộc vào khả năng ức chế quỏ trỡnh tỏi hợp e–/ h+ở từng hạt bỏn dẫn riờng rẽ. Những hệ thống thiết kế hợp lý cho phộp đạt hiệu suất ~ 22%.
• Quang tổng hợp điện húa (Photoelectrosynthesis) là hướng nghiờn
cứu khai thỏc những lợi thế của phương phỏp tổng hợp bằng con
đường điện húa (cung cấp năng lượng hoạt húa bằng năng lượng điện; quỏ trỡnh xảy ra ở nhiệt độ thường; độ chọn lọc của quỏ trỡnh cao v.v..) được bổ sung những yếu tố đặc biệt thuận lợi của những quỏ trỡnh quang húa (kớch hoạt, khơi mào, dập tắt, xỳc tỏc... dưới tỏc dụng của sự chiếu sỏng với cỏc tia đơn sắc). Quang tổng hợp điện húa là đặc trưng của phương phỏp tổng hợp húa học mềm. Thành tựu phần lớn ở quy
mụ phũng thớ nghiệm song ý nghĩa và tầm quan trọng rất lớn. Hướng
điều chế trong tương lai là húa chất tinh vi, nhiờn liệu, mụ phỏng quỏ trỡnh quang hợp để tạo ra cacbua hydro, cốđịnh đạm...