Các nhà nghiên cứu tổng hợp các hợp chất phân tử cho các ứng dụng năng lượng mặt trời
Tác giả: Justin Daugherty, Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia
Sơ đồ này cho thấy quá trình tiến hóa từ các phân tử Tc-DA riêng lẻ được hòa tan thành các dimer rồi đến các cụm lớn hơn thông qua quá trình kết tụ do nồng độ gây ra. Nguồn: Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02058
Không có phân tử nào tồn tại riêng lẻ—chúng cần những phân tử khác, ít nhất là khi nói đến khả năng thể hiện các đặc tính quang lý, điện tử và hóa học hữu ích. Khi các phân tử riêng lẻ kết hợp thành một hợp chất hoặc phức hợp gồm hai hoặc nhiều phân tử, chúng trở nên lớn hơn nhiều so với tổng các bộ phận riêng lẻ của chúng.
Tuy nhiên, các hợp chất phân tử quang hoạt động—phức hợp gồm hai hoặc nhiều sắc tố, là các phân tử hấp thụ ánh sáng ở một số bước sóng nhất định, do đó hiển thị màu sắc—sẽ đi đến nơi mà các phân tử riêng lẻ không làm được.
Do các tương tác thuận lợi giữa các phân tử, các hợp chất này được quan tâm cho các công nghệ y sinh, thu năng lượng mặt trời và tạo ra ánh sáng.
Đó là bởi vì—trong quá trình quang hợp tự nhiên và trong các ứng dụng công nghệ lấy cảm hứng từ sinh học—các hợp chất quang hoạt có hiệu quả trong việc truyền năng lượng, tức là vận chuyển năng lượng mặt trời từ nơi này đến nơi khác. Ví dụ, trong quá trình quang hợp tự nhiên, hệ thống chuyển đổi năng lượng phổ biến nhất trên hành tinh của chúng ta, các hợp chất truyền năng lượng hiệu quả từ nơi ánh sáng được hấp thụ đến nơi nó được chuyển đổi thành điện tích để tạo ra điện hoặc hóa chất để sản xuất nhiên liệu.
Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) đã tổng hợp hai hợp chất mới và nghiên cứu cách các đặc tính của từng phân tử góp phần tạo nên các đặc tính—thường là bất ngờ—của các hợp chất lớn hơn.
Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp tetracene diacid (Tc-DA) và một chất tương tự dimethyl este (Tc-DE) được thiết kế để ngăn chặn liên kết hydro giữa các phân tử trong khi vẫn bảo toàn các thiết bị điện tử cốt lõi của Tc-DA.
Các kết quả được mô tả trong Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ trong một bài báo có tiêu đề "Các hợp chất tetracene diacid để định hướng dòng năng lượng hướng tới các cặp ba".
"Mục tiêu của nghiên cứu cơ bản này là giải mã những đặc tính phân tử nào quyết định những đặc tính nổi lên cuối cùng của tập hợp chung, trong đó tổng thể lớn hơn tổng các bộ phận riêng lẻ, tương tự như việc ghép các mảnh ghép có vẻ không liên quan lại với nhau và một hình ảnh bất ngờ xuất hiện", Justin Johnson, nhà khoa học cấp cao của NREL cho biết.
"Đối với các kiến trúc thu thập ánh sáng dựa trên phân tử nhằm mục đích sử dụng các cơ chế phi truyền thống để sử dụng quang phổ mặt trời hiệu quả hơn so với các tế bào năng lượng mặt trời thông thường, thì chính các đặc tính tập thể quyết định hiệu quả".
"Tc-DA được tạo ra để khai thác các tương tác liên kết hydro giữa các phân tử tại các bề mặt bán dẫn thành các lớp đơn được sắp xếp tốt", Nicholas Pompetti, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của NREL cho biết.
"Tuy nhiên, chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể kiểm soát quá trình kết tụ của Tc-DA khi nó tiếp cận bề mặt thông qua các lựa chọn dung môi và nồng độ. Điều này mở ra những hiểu biết sâu sắc về các tập hợp dựa trên tetracene và cách kích thước và cấu trúc của chúng cung cấp các con đường đầy hứa hẹn để sử dụng chúng trong các ứng dụng thu thập ánh sáng".
Trong một môi trường dung môi nhất định, các tương tác giữa các phân tử mạnh sẽ chỉ đạo quá trình kết tụ ổn định và mang tính quyết định. Tuy nhiên, các tương tác mạnh nhưng không được kiểm soát có thể dẫn đến sự hình thành các tập hợp lớn có thể làm giảm độ hòa tan.
Mặt khác, các tương tác yếu thúc đẩy sự phân ly với các phân tử hoạt động như các monome. May mắn thay đối với Tc-DA, mức độ tập hợp có thể được kiểm soát chặt chẽ, từ các monome đến các tập hợp ổn định bậc lớn hơn bằng cách thay đổi nồng độ hoặc hệ dung môi.
Tetracene và các dẫn xuất của nó là ứng cử viên hàng đầu cho phân hạch đơn (SF), một quá trình có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang học bằng cách giảm sản xuất nhiệt lãng phí và dựa vào các phân tử cụ thể mà các tập hợp có thể đạt được. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H (NMR), mô hình tính toán và hành vi quang học phụ thuộc vào nồng độ để nghiên cứu cấu trúc tập hợp có thể có của Tc-DA và Tc-DE.
Phân tích phổ trạng thái ổn định cho phép họ quan sát hành vi hấp thụ và hồ sơ phát xạ của các tập hợp. Mô hình tính toán sử dụng lý thuyết hàm mật độ (do Kori Smyser và Sandeep Sharma tại Đại học Colorado Boulder thực hiện), kết hợp với kết quả NMR, đã cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu về hướng có thể có của các phân tử trong cấu trúc tổng hợp.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra tác động của tổng hợp lên động lực học trạng thái kích thích của Tc-DA bằng phương pháp quang phổ hấp thụ thoáng qua.
"Động lực học trạng thái kích thích nhạy cảm một cách đáng ngạc nhiên với việc vượt qua ngưỡng nồng độ được xác định rõ ràng, gần giống như trải qua quá trình chuyển pha đối với vật liệu tinh khiết", Johnson cho biết.
Vì kích thước và cấu trúc của các tổng hợp rất quan trọng đối với việc thu thập ánh sáng, nên các nhà nghiên cứu đã thay đổi độ phân cực và nồng độ dung môi trong dung dịch một cách có hệ thống để phân tích te được xác định rõ ràng
các tập hợp tracene và hành vi của chúng, bao gồm cả phân hạch đơn có khả năng quan trọng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tập hợp tetracene không cộng hóa trị vượt quá một dimer được ổn định ở một số cực và nồng độ dung môi nhất định, nhanh chóng hình thành trạng thái truyền điện tích và đa excitonic, là những loài mong muốn để cung cấp điện tích (đôi khi là nhiều đơn vị) cho điện cực hoặc chất xúc tác.
Sự kết hợp của NMR, các nghiên cứu tính toán và kết quả quang phổ cho phép các nhà nghiên cứu mô tả các cấu trúc tập hợp không thường thấy trong polyacene pha dung dịch.
"Kiểm soát cảnh quan thông qua thiết kế phân tử và dung môi liên quan rõ ràng cho phép chúng tôi chỉ định những gì các electron làm khi chúng bị kích thích bằng ánh sáng", Johnson cho biết.
"Thiên nhiên sử dụng liên kết hydro trong nhiều loại kiến trúc tập hợp để điều chỉnh cảnh quan năng lượng theo cách tương tự, giống như dẫn nước vào một hồ chứa. Việc đưa các nguyên tắc như vậy vào các hệ thống thu thập ánh sáng nhân tạo có tiềm năng kiểm soát đa excitonic là một mục tiêu hợp lý đang dẫn đến những hậu quả thú vị".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
