Hệ thống quang điện hóa có thể mở rộng để sản xuất hydro xanh
(a) Thiết kế ý tưởng về tế bào tách nước dựa trên cực dương quang NiFeOOH/Ni/FAPbI3. (b) Lò phản ứng PEC đóng gói dựa trên toàn PSK được làm bằng các mô-đun nhỏ lặp đi lặp lại (bản vẽ phóng to). Nhà cung cấp: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01438-x
Nếu được thực hiện bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng tái tạo khác, việc tách nước có thể là một phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất hydro (H2) bền vững trên quy mô lớn. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống tách nước quang điện hóa được đề xuất cho đến nay đều được phát hiện là không hiệu quả, không ổn định hoặc khó thực hiện trên quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) gần đây đã bắt đầu phát triển một hệ thống quang điện hóa (PEC) có khả năng mở rộng và hiệu quả để sản xuất hydro xanh. Hệ thống mà họ đề xuất, được trình bày trong Nature Energy, dựa trên một cực dương quang cải tiến dựa trên perovskite chì formamidinium triiodide (FAPbI3), được bao bọc bằng lá Ni/chất xúc tác điện NiFeOOH.
Jae Sung Lee, Giáo sư Kỹ thuật Năng lượng & Hóa học tại UNIST và đồng tác giả của bài báo, nói với Tech Xplore: “Nhóm của chúng tôi đã nghiên cứu kỹ lưỡng những thách thức liên quan đến việc sản xuất hydro mặt trời trong thực tế”. "Như đã tóm tắt trong bài đánh giá gần đây nhất của chúng tôi, cần có tối thiểu 10% hiệu suất từ năng lượng mặt trời đến hydro (STH) để phát triển hệ thống PEC thực tế khả thi, trong đó việc lựa chọn vật liệu hiệu quả là tiêu chí đầu tiên."
Cho đến nay, hầu hết các nỗ lực nhằm hiện thực hóa việc sản xuất hydro quang điện hóa đều sử dụng các oxit kim loại có tính ổn định nội tại làm vật liệu quang điện của tế bào PEC. Tuy nhiên, những hệ thống này mang lại hiệu quả thấp hơn nhiều so với mức cần thiết cho ứng dụng thực tế của chúng.
Do đó, một số nhà nghiên cứu đã khám phá tiềm năng của các điện cực quang dựa trên vật liệu cấp quang điện (PV), chẳng hạn như silicon, perovskites, chalcogenides và các loại vật liệu III-V. Mặc dù những vật liệu này nổi tiếng với hiệu quả vượt trội nhưng đôi khi chúng có thể đắt tiền và không ổn định, đặc biệt nếu được đặt trong nước, giống như khi được đưa vào các tế bào tách nước PEC.
Lee cho biết: “Không giống như các vật liệu cấp PV khác, perovskites halogen kim loại (MHP) có các đặc tính độc đáo là hiệu quả cao nhưng chi phí thấp và có thể trở thành vật liệu quang điện thay thế nếu vấn đề về độ ổn định của chúng được giải quyết hợp lý”. “Vật liệu MHP có các đặc tính quang điện tử tuyệt vời và dải tần có thể điều chỉnh được nhằm cung cấp dòng quang và điện áp cần thiết để tách nước và tạo ra oxy và hydro trong một tế bào PEC duy nhất.”
Để tạo ra các điện cực quang hiệu quả dựa trên MHP, trước tiên các nhà nghiên cứu phải giải quyết một thách thức quan trọng, đó là duy trì sự ổn định của chúng trong điều kiện ẩm ướt và dưới ánh sáng tia cực tím. Để đạt được điều này, họ đã cố gắng ổn định chúng bằng kỹ thuật bọc kim loại hoặc bảo vệ kim loại và bằng cách sử dụng perovskite FAPbI3 ổn định tia cực tím.
Lee cho biết: “Một thách thức khác đối với các ứng dụng thực tế là khả năng mở rộng, hay nói cách khác là duy trì hiệu quả cao của các tế bào trong phòng thí nghiệm (<1 cm2) khi triển khai thực tế ở quy mô lớn (1 m2). "Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã chọn vật liệu MHP tiên tiến nhất về hiệu quả và độ ổn định (FAPbI3) và bọc nó bằng một lá niken dày (30 mm) được lắng đọng bằng chất xúc tác NiFeOOH để bảo vệ MHP trong nước và thúc đẩy phản ứng tạo oxy để tách nước, "
Trước tiên, các nhà nghiên cứu tạo ra một phiên bản quy mô nhỏ của hệ thống được đề xuất, dựa trên một điện cực quang có kích thước dưới 1 cm2. Trong các thử nghiệm ban đầu, hệ thống quy mô phòng thí nghiệm này đã đạt được hiệu suất STH 9,89% và có độ ổn định lâu dài.
