Tìm kiếm nhiên liệu sạch và bền vững là rất quan trọng trong cuộc khủng hoảng năng lượng và khí hậu toàn cầu ngày nay. Một ứng cử viên đầy hứa hẹn đang ngày càng được quan tâm là hydro. Tuy nhiên, hoạt động sản xuất hydro công nghiệp ngày nay vẫn thải ra lượng khí thải CO2 đáng kể, đặc biệt khi xem xét các quy trình như cải cách hơi nước hoặc điện phân không bền vững.
Nước (H 2 O) được chuyển thành hydro (H 2 ) nhờ chất xúc tác và ánh sáng mặt trời. Nguồn: Vật liệu năng lượng tiên tiến (2023). DOI: 10.1002/aenm.202300961
Do đó, một nhóm do Giáo sư Dominik Eder từ Viện Hóa học Vật liệu (TU Wien) dẫn đầu đang tập trung vào phát triển các quy trình thân thiện với môi trường để thu được hydro, chẳng hạn như bằng phương pháp quang xúc tác. Quá trình này cho phép chuyển đổi các phân tử nước thành hydro chỉ được hỗ trợ bởi ánh sáng và chất xúc tác. Thông qua quá trình này, năng lượng sạch và dồi dào của mặt trời có thể được lưu trữ trong các liên kết hóa học của cái gọi là nhiên liệu mặt trời. Kết quả mà nhóm nghiên cứu thu được đã được công bố trên tạp chí Vật liệu năng lượng tiên tiến .
Chất xúc tác quang mới
Khi sản xuất hydro xanh bằng phương pháp quang xúc tác, chất xúc tác đóng vai trò rất quan trọng. Ngược lại với các chất xúc tác công nghiệp, chất xúc tác quang sử dụng năng lượng ánh sáng để tạo điều kiện cho quá trình tách nước ở nhiệt độ phòng và áp suất xung quanh. Trong số những ứng cử viên hứa hẹn nhất cho chất xúc tác này là các khung hữu cơ kim loại , còn được gọi là MOF. Chúng được tạo thành từ các đơn vị xây dựng vô cơ phân tử được liên kết với nhau bằng các phân tử liên kết hữu cơ. Cùng nhau, chúng tạo thành các mạng 3D có độ xốp cao, có diện tích bề mặt đặc biệt lớn và đặc tính phân tách điện tích tuyệt vời.
Tuy nhiên, hầu hết MOF chỉ hoạt động dưới bức xạ tia UV, đó là lý do tại sao cộng đồng biến đổi các hợp chất hữu cơ để làm cho chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, những sửa đổi này có ảnh hưởng tiêu cực đến độ linh động của các electron. Một hạn chế khác liên quan đến việc tách điện tích, trong đó các electron được giải phóng khỏi vật liệu. Eder giải thích : “Mặc dù MOF thực sự có tác dụng tuyệt vời trong việc tách các chất mang điện ở bề mặt tiếp xúc hữu cơ-vô cơ, nhưng việc khai thác hiệu quả chúng để sử dụng làm chất xúc tác vẫn còn là một thách thức”.
Gần đây, MOF có cấu trúc phân lớp đã nhận được nhiều sự chú ý khi sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử, vì chúng thể hiện các đặc tính tách điện tích được cải thiện đáng kể. Pablo Ayala, tác giả chính của nghiên cứu, minh họa: “Bạn có thể hình dung các cấu trúc phân lớp này như một Manner Schnitte, trong đó bánh quế là phần vô cơ và sô cô la là phối tử hữu cơ giữ chúng lại với nhau”. "Bạn chỉ cần làm cho phần bánh quế dẫn điện."
Những thách thức trong việc tách nước
Ngược lại với 3D-MOF, MOF phân lớp thường không xốp, làm giảm diện tích hoạt động xúc tác trên bề mặt bên ngoài của các hạt. Eder giải thích: “Do đó, chúng tôi phải tìm cách làm cho những hạt này nhỏ nhất có thể”. Tuy nhiên, cấu trúc nano của vật liệu thường đi kèm với sự xuất hiện các khiếm khuyết về cấu trúc. Chúng có thể hoạt động như bẫy điện tích và làm chậm quá trình trích xuất điện tích. Ayala tiếp tục so sánh: “Không ai thích một Schnitte kiểu cách mà thiếu sô cô la”. “Trong trường hợp quang xúc tác, chúng tôi cũng cần vật liệu tốt nhất có thể được sản xuất”.
Do đó, nhóm của Eder đã phát triển một phương pháp tổng hợp mới trong đó ngay cả những cấu trúc tinh thể nhỏ nhất cũng có thể được tạo ra mà không có khiếm khuyết. Điều này đạt được nhờ sự hợp tác của các trường đại học trong nước và quốc tế. MOF phân lớp mới này được làm từ titan và có dạng khối có kích thước chỉ vài nanomet. Vật liệu này đã có thể đạt được các giá trị kỷ lục trong quá trình sản xuất hydro xúc tác quang dưới tác động của ánh sáng khả kiến.
Được hỗ trợ bởi các mô phỏng máy tính được thực hiện tại Technion ở Israel, nhóm nghiên cứu đã có thể làm sáng tỏ cơ chế phản ứng cơ bản và chứng minh được hai điều: Thứ nhất, bản chất phân lớp của MOF thực sự là chìa khóa để tách và chiết điện tích hiệu quả. Thứ hai, các khiếm khuyết phối tử bị thiếu đó đóng vai trò là các bẫy điện tích không mong muốn cần phải tránh càng nhiều càng tốt để nâng cao hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.
Nhóm nghiên cứu hiện đang thiết kế MOF phân lớp mới và khám phá chúng cho các ứng dụng năng lượng khác nhau.
