Các hạt nano dựa trên chất bán dẫn hữu cơ với các điện tích phản ứng lâu dài
Hình ảnh: Kosco et al.
Do các đặc tính ưu việt của chúng, chất bán dẫn hữu cơ có thể là chất xúc tác quang rất hứa hẹn để sản xuất nhiên liệu mặt trời. Trên thực tế, những vật liệu này có thể được điều chỉnh tổng hợp để hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, đồng thời giữ lại mức năng lượng mong muốn để thúc đẩy các quá trình khác nhau. Trong khi các chất xúc tác quang dựa trên chất bán dẫn hữu cơ đã đạt được những kết quả đầy hứa hẹn, sự hiểu biết về vật lý làm cơ sở cho hoạt động của chúng vẫn còn tương đối hạn chế.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST), Đại học Hoàng gia London và Đại học Oxford đã cố gắng phát triển các chất quang xúc tác bán dẫn hữu cơ có thể thu hoạch năng lượng mặt trời một cách hiệu quả và do đó có thể được sử dụng để sản xuất hydro bền vững hơn. Bài báo gần đây nhất của họ, được xuất bản trên Nature Energy, cho thấy rằng các hạt nano bán dẫn hữu cơ dị liên kết có thể tạo ra các điện tích phản ứng lâu dài đáng kể, do đó chúng có thể thúc đẩy quá trình tiến hóa hyđrô hy sinh một cách hiệu quả.
Jan Kosco, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với TechXplore: “Chúng tôi chọn sử dụng chất bán dẫn hữu cơ để chế tạo chất xúc tác quang của mình vì băng thông của chúng có thể được điều chỉnh tổng hợp để hấp thụ mạnh trong quang phổ khả kiến. "Tất cả những điều khác đều bình đẳng, một chất xúc tác quang càng hấp thụ nhiều ánh sáng thì nó càng có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro một cách hiệu quả hơn."
Hầu hết các chất xúc tác quang ổn định được chế tạo từ chất bán dẫn vô cơ, chẳng hạn như TiO2 và SrTiO3 hầu như chỉ hấp thụ các bước sóng UV và có rất ít hoặc không hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy. Điều này có thể là một vấn đề, vì ít hơn 5% năng lượng mặt trời được truyền qua các bước sóng UV. Điều này về cơ bản giới hạn hiệu suất của các chất xúc tác quang dựa trên chất bán dẫn vô cơ này xuống dưới 5%.
Kosco và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu khám phá tiềm năng của chất bán dẫn hữu cơ để thúc đẩy quá trình tiến hóa hydro và quang vật lý làm cơ sở cho hoạt động của chúng hơn nữa. Nghiên cứu của họ được xây dựng dựa trên công trình nghiên cứu trước đây của họ về chất xúc tác quang hạt nano bán dẫn hữu cơ dị liên kết số lượng lớn.
Kosco giải thích: “Điều quan trọng là phải phát triển các chất xúc tác quang hoạt động dưới một loạt các bước sóng UV-nhìn thấy-hồng ngoại để tối đa hóa sự hấp thụ ánh sáng mặt trời”. "Ban đầu chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy rằng các hạt nano PM6: PCBM hiển thị tỷ lệ tiến hóa H2 cao hơn so với các NP PM6: Y6."
Khi lần đầu tiên họ bắt đầu tiến hành các thí nghiệm của mình, Kosco và các đồng nghiệp của ông đã kỳ vọng phát hiện ra rằng các hạt nano PM6: Y6 hoạt động mạnh hơn các hạt nano PM6: PCBM, vì Y6 được biết là hấp thụ nhiều hơn đáng kể quang phổ mặt trời so với PCBM. Tuy nhiên, khi họ đo hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của các hạt nano PM6: Y6 và PM6: PCBM, họ nhận thấy rằng các hạt sau này có thể chuyển đổi một phần lớn hơn năng lượng mặt trời mà chúng hấp thụ thành các điện tích tạo ra hydro.
Kosco cho biết: “Nói cách khác, chúng tôi nhận thấy rằng các hạt nano PM6: PCBM có EQE cao hơn. "Điều này cho phép chúng tạo ra nhiều hydro hơn các hạt nano PM6: Y6, mặc dù chúng hấp thụ ít ánh sáng hơn."
Sau khi họ đo EQE của các hạt nano, Kosco và các đồng nghiệp của ông đã thăm dò chúng bằng cách sử dụng một loạt các phương pháp quang phổ toán hạng và siêu nhanh. Hy vọng của họ là khám phá ra các cơ chế làm nền tảng cho EQE cao hơn mà họ quan sát được trong các hạt nano PM6: PCBM.
Kosco cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng các kỹ thuật này để theo dõi các quá trình quang lý chịu trách nhiệm chuyển đổi các photon thành các điện tích xúc tác hoạt động theo thang thời gian từ pico giây đến giây”. "Các phương pháp này tiết lộ rằng các hạt nano PM6: PCBM có khả năng chuyển đổi các photon được hấp thụ thành các điện tích hoạt động xúc tác có tuổi thọ cao hơn và chúng tôi tin rằng đây là lý do chính cho hiệu quả sản xuất H2 cao của chúng."
Kosco và các đồng nghiệp của ông cũng chụp ảnh các hạt nano bằng kính hiển vi điện tử truyền đông lạnh (Cryo-TEM). Đây là một kỹ thuật hiển vi điện tử tiên tiến cho phép các nhà nghiên cứu đóng băng nhanh chóng một mẫu và chụp ảnh của nó trong điều kiện đông lạnh, do đó bảo tồn cấu trúc ban đầu của nó. Sử dụng Cryo-TEM, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra hình ảnh của các hạt nano ghi lại rõ ràng hình thái bên trong của chúng với độ phân giải quy mô nanomet, trong khi chúng lơ lửng trong nước trong ống nghiệm.
Kosco giải thích: “Chúng tôi mong đợi rằng các điện tích sẽ hình thành trong các hạt nano của chúng tôi, do dị liên kết loại II hiện diện bên trong chúng. "Tuy nhiên, chúng tôi không mong đợi các điện tích 'tồn tại' lâu như vậy bên trong các hạt nano. Các điện tích được tạo ra từ quang thường tái kết hợp trên thang thời gian micro giây, nhưng chúng tôi đã quan sát thấy các điện tích trong các hạt nano của mình thậm chí vài giây sau khi quang khai thác."
Thời gian tồn tại của các điện tích được tạo quang mà các nhà nghiên cứu quan sát được trong các thí nghiệm của họ là rất dài so với thời gian tồn tại của các chất bán dẫn hữu cơ thường biểu hiện. Tuổi thọ dài đáng kể này có thể là yếu tố chính làm nền tảng cho hiệu suất cao của chúng
vì nó kéo dài thời gian để các điện tích tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử ở bề mặt hạt nano vốn được biết là tương đối chậm.
Kosco cho biết: “Chúng tôi hy vọng rằng lớp chất xúc tác quang bán dẫn hữu cơ có hoạt tính cao mới này sẽ thúc đẩy sự phát triển của chất xúc tác quang tiến hóa hydro hoạt tính với ánh sáng nhìn thấy hiệu quả cho các chương trình Z tách nước tổng thể,” Kosco nói. "Trong sơ đồ Z tách nước, một chất quang xúc tác tiến hóa hydro được kết hợp với một chất xúc tác quang tiến hóa oxy và hai chất quang xúc tác này cùng nhau thúc đẩy quá trình phân tách nước tổng thể thành H2 và O2. Điều này tương tự như cách hệ thống quang 1 và hệ thống quang 2 chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học trong quá trình quang hợp trong cây xanh. "
Trong tương lai, các chất xúc tác quang đầy hứa hẹn được Kosco và các đồng nghiệp của ông xác định có thể được sử dụng để tạo ra các công nghệ nhiên liệu năng lượng mặt trời mới và hoạt động tốt hơn. Mặc dù các nhà nghiên cứu cho đến nay chủ yếu đánh giá tiềm năng của chúng trong việc thúc đẩy phản ứng tiến hóa hydro, nhưng để được áp dụng trong môi trường thực tế, phản ứng này nên được kết hợp với quá trình tiến hóa oxy, để tách nước thành H2 và O2.
Kosco cho biết thêm: “Hiện chúng tôi đang tiếp tục phát triển các chất xúc tác quang để tiến hóa H2, tiến hóa O2 và giảm CO2 thành nhiên liệu tổng hợp.
