Bước tiến cho nhiên liệu mặt trời, vật liệu lai cải thiện khả năng khử carbon dioxide bằng quang xúc tác
Mô tả sự hấp thụ ánh sáng bởi carbon nitride sau đó là sự chuyển điện tử sang chất xúc tác coban. Sau đó, chất xúc tác khử CO2 thành CO. Các tương tác axit-bazơ giữa chất bán dẫn carbon nitride và chất xúc tác thúc đẩy sự bao phủ đồng đều. Ảnh: Daniel Kurtz và Hailiang Wang.
Carbon dioxide (CO2) là khí nhà kính hình thành khi sản xuất năng lượng bằng nhiên liệu hóa thạch. Các nhà khoa học đang nỗ lực biến CO2 thành hóa chất hoặc nhiên liệu có giá trị bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời.
Để chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide (CO) hữu ích hơn, các nhà nghiên cứu đã xác định một vật liệu lai mới bao gồm chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng và chất xúc tác coban. Để tổng hợp hệ thống kết hợp này, các nhà nghiên cứu phải phát triển một cách tốt hơn để gắn chất xúc tác lên bề mặt vật liệu. Họ cũng nghiên cứu cách thức vật liệu lai này thực hiện quá trình hóa học điều khiển bằng ánh sáng. Điều này sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các hệ thống hiệu quả và lâu bền hơn để chuyển đổi carbon dioxide thành các sản phẩm hữu ích.
Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters, góp phần vào những nỗ lực khoa học không ngừng nhằm tìm ra những cách mới để lưu trữ năng lượng. Chuyển đổi CO2 thành CO bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời có thể là một bước tiến tới việc lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiên liệu hóa học. Quá trình này có thể bổ sung cho pin và các công nghệ lưu trữ năng lượng khác. Để làm cho các nhiên liệu hóa học mặt trời này trở nên thiết thực và khả thi, các nhà khoa học phải phát triển các hệ thống xúc tác nhanh và hiệu quả. Nghiên cứu này nâng cao hiểu biết cơ bản về cách các hệ thống lai hấp thụ ánh sáng có thể thúc đẩy quá trình sản xuất xúc tác nhiên liệu hóa học sử dụng năng lượng mặt trời.
Các vật liệu lai cho xúc tác quang có thể tận dụng tính chọn lọc cao và hiệu quả do chất xúc tác phân tử mang lại cùng với độ bền của vật liệu rắn hỗ trợ. Nghiên cứu này, được thực hiện tại Trung tâm các phương pháp kết hợp trong năng lượng mặt trời với nhiên liệu lỏng (CHASE) có trụ sở chính tại Đại học Bắc Carolina ở Chapel Hill, tích hợp chất xúc tác coban đã biết lên bề mặt của vật liệu carbon nitride hấp thụ ánh sáng. Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Yale, Đại học Emory và Đại học bang North Carolina.
Chiến lược đính kèm dẫn đến độ che phủ bề mặt cao của chất xúc tác và nó sắp xếp các phân tử đồng đều trên bề mặt của vật liệu lai. Hai tính chất này là chìa khóa cho hiệu suất xúc tác cao của vật liệu lai này, loại vật liệu tạo ra rất nhanh gần như hoàn toàn CO từ CO2.
Phát triển một hệ thống quang xúc tác hiệu suất cao là một tiến bộ đáng kể. Để cải thiện khám phá này, các nhà khoa học cần hiểu những thiếu sót của vật liệu và cách nó thúc đẩy phản ứng. Những nghiên cứu mới này vừa xác định trạng thái hoạt động của chất xúc tác phân tử vừa nghiên cứu quá trình hình thành chất xúc tác hoạt động này, cho thấy rằng phải mất một thời gian để tạo ra dạng hoạt động và có tính khử cao của chất xúc tác. Ngoài ra, nghiên cứu này liên quan đến việc giảm hiệu quả của chất xúc tác với sự phân hủy của chính chất xúc tác, chứ không phải tính toàn vẹn của toàn bộ hệ thống hybrid.
