Bề mặt được thiết kế hứa hẹn công nghệ chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu lỏng
Tác giả: Matt Shipman, Đại học bang North Carolina
Phổ XPS (a) rộng và (b) C 1s của phản ứng trước/sau không khí 250-1h trong CO2 bão hòa 0,1 M KHCO3 dưới 1 lần chiếu sáng mặt trời trong 1 giờ. Điện thế được áp dụng ở -0,9 V so với RHE. Tín dụng: ACS Applied Energy Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaem.4c02997
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một sự kết hợp mới lạ của các vật liệu có đặc tính hữu cơ và vô cơ, với mục tiêu sử dụng chúng trong các công nghệ chuyển đổi carbon dioxide từ khí quyển thành nhiên liệu lỏng. Bài báo "Màng mỏng thiếc lắng đọng lớp phân tử ủ nhẹ (MLD) làm lớp vận chuyển điện tử hiệu quả và ổn định về mặt quang điện cho quang catốt Si" được xuất bản trên ACS Applied Energy Materials.
"Về cơ bản, mục tiêu của dự án này là thiết kế một bề mặt cho phép chúng tôi chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide trong khí quyển thành methanol, một loại nhiên liệu lỏng", Gregory Parsons, tác giả liên lạc của một bài báo về công trình này và là Giáo sư Hóa học và Kỹ thuật sinh học phân tử Celanese Acetate tại Đại học Bang North Carolina cho biết.
"Giả thuyết của chúng tôi là một loại vật liệu gọi là metalcone sẽ là một công cụ có giá trị để giải quyết thách thức này. Công trình của chúng tôi trong bài báo này tập trung vào việc thiết kế một màng mỏng metalcone cho ứng dụng này".
Các vật liệu vô cơ có xu hướng rắn và có các đặc tính ổn định. Các vật liệu hữu cơ có thể có các đặc tính vật lý giống như bọt biển và có xu hướng phản ứng hóa học nhiều hơn. Các màng mỏng metalcone vừa hữu cơ vừa vô cơ—và do đó có cả các đặc tính hữu cơ và vô cơ.
"Chúng tôi muốn tìm cách tạo ra một màng mỏng metalcone giữ lại các đặc tính vô cơ giúp nó trở thành giao diện tốt giữa vật liệu bán dẫn và môi trường lỏng xung quanh nó", Parsons cho biết. "Nhưng chúng tôi cũng muốn metalcone duy trì các đặc tính hữu cơ tạo ra các đường dẫn hiệu quả để electron di chuyển."
"Vấn đề là metalcone phải đối mặt với một trở ngại đáng kể để sử dụng thực tế trong bối cảnh này", Hyunwoo Yang, tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại NC State cho biết. "Nếu bạn đặt các hình nón kim loại vào dung dịch nước, các đặc tính hữu cơ cho phép các hình nón kim loại hòa tan—khiến chúng trở nên vô dụng. Nếu bạn ủ các hình nón kim loại ở nhiệt độ cao, chúng trở nên ổn định về mặt vật lý, nhưng bạn sẽ mất đi các đặc tính điện hóa hấp dẫn.
"Nhưng hiện tại chúng tôi đã chứng minh được một phương pháp cải thiện độ ổn định và các đặc tính điện hóa của hình nón kim loại, khiến chúng trở thành ứng cử viên rất triển vọng để sử dụng trong quá trình khử cacbon dioxit hóa học quang điện", Yang nói.
Đối với công trình này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hình nón kim loại gọi là tincone, về cơ bản là một oxit thiếc (SnO2) trong đó các nguyên tử oxy được thay thế bằng các thành phần oxit hữu cơ. Nói cách khác, trong các vật liệu oxit thiếc, chính các nguyên tử oxy kết nối các phân tử oxit thiếc với nhau; trong tincone, các phân tử oxit thiếc đó được kết nối với nhau bằng một chuỗi cacbon.
Vì ủ ở nhiệt độ cao sẽ loại bỏ các đặc tính điện hóa hấp dẫn, nên các nhà nghiên cứu đã quyết định thử ủ tincone ở một phạm vi nhiệt độ thấp hơn.
"Chúng tôi phát hiện ra rằng điểm ngọt ngào là quá trình ủ 'nhẹ' ở 250 độ C", Yang nói. "Điều này làm cho thiếc cone ổn định hơn đáng kể trong chất điện phân nước, điều này cần thiết cho mục đích sử dụng tiềm năng trong các ứng dụng khử cacbon dioxit hóa học quang điện. Ngoài việc cải thiện độ ổn định của nó, quá trình ủ nhẹ cũng cải thiện khả năng vận chuyển điện tích, khiến các đặc tính điện hóa thậm chí còn mong muốn hơn đối với các ứng dụng này.
"Các bước tiếp theo của chúng tôi bao gồm liên kết chất xúc tác cacbon dioxit với thiếc cone ủ nhẹ này và kết hợp vật liệu được thiết kế này vào một ứng dụng để xem nó có thể chuyển đổi CO2 trong khí quyển thành methanol hiệu quả như thế nào".
Bài báo được đồng sáng tác bởi Christopher Oldham, một quản lý dự án cấp cao tại NC State; Arun Joshi Reddy, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại NC State; Paul Maggard, một giáo sư hóa học tại NC State; và Carrie Donley, Renato Sampaio, John Dickenson, Pierpaolo Vecchi và Gerald Meyer của Đại học North Carolina tại Chapel Hill.
