Khai thác ánh sáng bước sóng dài để sản xuất hydro bền vững
Bởi Viện Khoa học Tokyo
Nguồn: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c06687
Một chất xúc tác quang nhạy cảm với thuốc nhuộm mới được phát triển tại Viện Khoa học Tokyo cho phép thu nhận ánh sáng khả kiến bước sóng dài để chuyển đổi hydro hiệu quả, vượt trội so với các chất xúc tác quang thông thường.
Bằng cách thay thế trung tâm kim loại của các phức chất truyền thống bằng osmium, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chất xúc tác quang có thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng vượt quá 600 nanomet. Sự thay đổi trong cấu hình hấp thụ này cho phép hệ thống thu hoạch một phạm vi rộng hơn của quang phổ mặt trời, tạo ra nhiều electron kích thích hơn để tăng cường hiệu suất tạo hydro.
Chất xúc tác quang nhạy cảm với thuốc nhuộm tiên tiến để sản xuất hydro mặt trời bước sóng dài
Sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời là một chiến lược đầy hứa hẹn cho phép sản xuất nhiên liệu sạch và tái tạo mà không thải ra khí carbon. Quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hydro thường liên quan đến việc sử dụng chất xúc tác quang (chất xúc tác hấp thụ ánh sáng) để hấp thụ ánh sáng mặt trời và sử dụng năng lượng mặt trời để phân tách nước thành hydro và oxy.
Trong hầu hết các hệ thống thông thường, chất xúc tác quang chỉ hấp thụ một phần của phổ ánh sáng nhìn thấy, điều đó có nghĩa là phần lớn năng lượng mặt trời vẫn không được sử dụng. Để cải thiện hiệu quả sản xuất hydro, cần có các chất xúc tác quang mới có khả năng thu nhận phạm vi ánh sáng mặt trời rộng hơn.
Để giải quyết thách thức này, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Kazuhiko Maeda và nghiên cứu sinh Haruka Yamamoto từ Viện Khoa học Tokyo (Science Tokyo), Nhật Bản, dẫn đầu, đã phát triển một chất xúc tác quang nhạy cảm với thuốc nhuộm mới có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy bước sóng dài lên đến khoảng 800 nanomet.
Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí ACS Catalysis, báo cáo hiệu quả chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hydro được nâng cao—cao hơn gấp đôi so với các hệ thống truyền thống.
Chất xúc tác quang nhạy cảm với chất nhuộm là vật liệu xúc tác quang được tạo ra bằng cách kết hợp chất xúc tác với phân tử chất nhuộm hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Phân tử chất nhuộm hoạt động như một ăng-ten nhỏ, thu nhận ánh sáng mặt trời và truyền năng lượng đến bề mặt chất xúc tác.
"Chất xúc tác quang nhạy cảm với chất nhuộm thường sử dụng phức hợp ruthenium làm chất nhuộm nhạy cảm quang. Tuy nhiên, các phức hợp dựa trên ruthenium thường chỉ hấp thụ các bước sóng ngắn hơn trong vùng ánh sáng nhìn thấy, lên đến 600 nm," Maeda giải thích.
Tập trung vào yếu tố này, nhóm nghiên cứu đã thay thế lõi kim loại của phức hợp, thay ruthenium bằng osmium. Sự thay đổi này đã mở rộng đáng kể phạm vi hấp thụ năng lượng mặt trời, cho phép chất xúc tác quang khai thác nhiều năng lượng mặt trời hơn, tạo ra các electron kích thích bổ sung góp phần trực tiếp vào hiệu suất tạo ra hydro.
Sự cải thiện này xuất phát từ hiệu ứng nguyên tử nặng của osmium, thúc đẩy sự kích thích đơn bội-ba bội, một quá trình chuyển đổi electron năng lượng thấp cho phép hấp thụ ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài.
Nguồn: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c06687
"Trong nỗ lực mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng, osmium đã chứng tỏ là một yếu tố quan trọng trong việc tiếp cận các bước sóng mà các phức hợp ruthenium không thể sử dụng, dẫn đến hiệu quả sản xuất hydro tăng gấp đôi," Maeda cho biết.
Hiệu quả được nâng cao cho thấy chất xúc tác quang có thể chuyển đổi nhiều photon đến thành năng lượng hóa học, ngay cả dưới ánh sáng mặt trời yếu hoặc khuếch tán. Điều này đặc biệt có lợi cho các công nghệ như quang hợp nhân tạo và vật liệu chuyển đổi năng lượng mặt trời hoạt động trong điều kiện ánh sáng mặt trời thực tế.
Trong khi các nhà khoa học tiếp tục tối ưu hóa các phức hợp kim loại, nghiên cứu hiện tại đặt nền tảng thiết yếu cho các chất xúc tác quang thế hệ tiếp theo - mở đường cho các công nghệ tương lai và việc sử dụng rộng rãi hơn năng lượng bền vững.
Thông tin chi tiết: Haruka Yamamoto và cộng sự, Động lực chuyển giao điện tích trong chất xúc tác quang nhạy cảm với thuốc nhuộm sử dụng chất nhạy cảm phức hợp kim loại có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy bước sóng dài dựa trên kích thích đơn bội-ba bội, ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c06687
Thông tin tạp chí: ACS Catalysis
