Một nhóm các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Giáo sư Jungki Ryu tại Trường Kỹ thuật Năng lượng và Hóa học tại UNIST và Giáo sư Soojin Park từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH), đã đạt được bước đột phá đáng kể trong việc phát triển chất xúc tác quang silicon lai. Chất xúc tác cải tiến này sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro và các hợp chất có giá trị cao một cách hiệu quả, đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ sản xuất hydro xanh.
Sơ đồ minh họa quá trình tổng hợp và ứng dụng SiF/Ni-NGQD để cải tạo sinh khối và sản xuất hydro hiệu quả trong điều kiện chiếu xạ mặt trời và ôn hòa. Tín dụng: UNIST
Chất xúc tác quang mới được phát triển vừa không độc hại vừa thân thiện với môi trường, giải quyết những hạn chế liên quan đến các chất xúc tác trước đó là không phản ứng với ánh sáng mặt trời hoặc gây ra mối lo ngại về độc tính. Chất xúc tác quang gốc silicon thể hiện đặc tính hấp thụ ánh sáng tuyệt vời, khiến chúng có hiệu quả cao trong việc sử dụng năng lượng mặt trời. Hơn nữa, những vật liệu không độc hại này không thải ra các hóa chất độc hại trong quá trình sản xuất.
Nghiên cứu trước đây phải đối mặt với những thách thức trong việc đạt được khả năng sản xuất hydro liên tục cùng với các hợp chất có giá trị cao do thiếu chất xúc tác phù hợp. Chất xúc tác độc hại được sử dụng trong điều kiện bazơ mạnh thường dẫn đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, do các lớp oxit hình thành trên các chất xúc tác quang silicon truyền thống trong quá trình phản ứng, nó tác động tiêu cực đến hiệu quả sản xuất hydro theo thời gian.
Để khắc phục những trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác quang silicon lai bằng cách phủ đồng đều các chấm lượng tử graphene pha tạp niken lên bề mặt các vảy silicon dày 2 đến 3 nm. Bề mặt được biến đổi cho phép hiệu suất sản xuất hydro cao hơn đáng kể so với các chất xúc tác quang silicon thông thường—đạt được tốc độ ấn tượng 14,2 mmol gcat −1 h −1 —một cải tiến đáng kể tương đương với hiệu suất cao hơn khoảng 28 lần.
Hơn nữa, thông qua các phản ứng oxy hóa sử dụng sinh khối thay vì nước – một chất hữu cơ có nguồn gốc từ các nguồn sinh học – chất xúc tác quang silicon lai đã chứng tỏ khả năng tạo ra các hợp chất có giá trị cao cùng với việc sản xuất hydro. Chất xúc tác còn duy trì được 98% hình dạng ban đầu, đảm bảo độ ổn định lâu dài.
Giáo sư Ryu cho biết: "Nghiên cứu trước đây về sản xuất hydro chỉ giới hạn ở các chất xúc tác quang hấp thụ tia cực tím hoặc liên quan đến chất xúc tác độc hại. Chất xúc tác quang silicon không độc hại và tiết kiệm chi phí của chúng tôi là một tiến bộ đáng kể vì nó cho phép sản xuất hydro hiệu quả cao thông qua khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời vượt trội." ."
Giáo sư Park cho biết thêm: “Kỹ thuật biến đổi bề mặt sử dụng các chấm lượng tử graphene pha tạp niken có thể được áp dụng không chỉ cho chất xúc tác quang silicon mà còn cho nhiều loại chất xúc tác quang khác, mở ra những khả năng mới trong ứng dụng năng lượng”.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials .
