KRISS đã chứng minh cơ chế vận chuyển chất mang của photoanode với màng bảo vệ để tối ưu hóa quá trình sản xuất hydro xanh, – Sự phát triển này có thể góp phần hiện thực hóa hydro xanh không carbon và quá trình quang hợp nhân tạo.
Hydrogen đã được chú ý như một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả. Tuy nhiên, hydro có thực sự thân thiện với môi trường? Hầu hết hydro thường được sử dụng hiện nay là “hydro xám” có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Vì quy trình sản xuất của nó đi kèm với việc tạo ra khí nhà kính, nên có thể nói rằng hydro xám không thân thiện với môi trường theo nghĩa chặt chẽ. Kỷ nguyên “hydro xanh” không phát thải carbon vẫn chưa bắt đầu.
Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS, Chủ tịch Hyun-min Park ) đã chứng minh chìa khóa của photoanode lâu bền và hiệu quả với màng bảo vệ, được sử dụng để sản xuất hydro thông qua quá trình tách nước bằng năng lượng mặt trời. Điều này được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên “hydro xanh” thân thiện với môi trường.
Hydro xanh được sản xuất mà không phát thải carbon bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Một phương pháp đại diện để sản xuất hydro màu xanh lá cây là tách nước quang điện hóa bằng cách sử dụng cực dương quang được nhúng trực tiếp vào chất điện phân và có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời. Kết quả là, cực dương quang trực tiếp tách nước tiếp xúc thành hydro và oxy bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời hấp thụ. Tuy nhiên, vì photoanode tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân nên nó dễ bị ăn mòn bề mặt. Lớp phủ bảo vệ bề mặt được lắng đọng trên bề mặt để chống ăn mòn bề mặt.
Thông thường, các vật liệu oxit như titan dioxit (TiO2) được sử dụng làm màng bảo vệ cho cực dương quang. Mặc dù vật liệu oxit là chất dẫn điện kém, nhưng tính dẫn điện của chúng có thể được điều chỉnh khi các khuyết tật oxy, đóng vai trò là kênh vận chuyển điện tích, được hình thành. Chìa khóa để kéo dài tuổi thọ của cực dương quang là phát triển một màng bảo vệ đủ bền để ngăn chặn sự ăn mòn của điện cực và có khả năng duy trì độ dẫn điện tối ưu.
Để tách nước PEC hiệu quả, điều quan trọng là phải cân bằng hai yếu tố bằng cách kiểm soát một cách có hệ thống mật độ khuyết tật trong lớp thụ động hóa TiOx của photoanode n-Si, đó là (1) mật độ trạng thái có thể tiếp cận để vận chuyển chất mang trong khe cấm và (2) thuận lợi năng lượng giao diện.
KRISS đã phát triển công nghệ đầu tiên trên thế giới để điều chỉnh một cách có hệ thống mức độ khiếm khuyết oxy trong màng bảo vệ anốt quang bằng titan điôxit (TiO2) để tối đa hóa hiệu quả sản xuất hydro. Để khám phá vai trò của các khuyết tật oxy trong cơ chế truyền điện tích, nhóm nghiên cứu đã xác định mức độ khuyết tật tối ưu giúp tối đa hóa tuổi thọ của photoanode và sản xuất hydro bằng cách sử dụng quang phổ quang điện tử tia X và phân tích điện hóa.
Không giống như các nghiên cứu trước đây dựa vào các khiếm khuyết oxy hình thành tự phát trong màng bảo vệ trong quá trình sản xuất, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp sản xuất trực tiếp kiểm soát mức độ khiếm khuyết oxy, cho phép sản xuất hàng loạt. Theo kết quả thử nghiệm, photoanode không có màng bảo vệ cho thấy tuổi thọ bị suy giảm nhanh chóng trong vòng một giờ, khiến hiệu suất sản xuất hydro giảm xuống dưới 20% so với trạng thái ban đầu. Mặt khác, cực dương quang với màng bảo vệ được tối ưu hóa duy trì hiệu suất sản xuất hydro trên 85% ngay cả sau 100 giờ.
Thành tựu này có khả năng nâng cao hiệu quả và tuổi thọ của cực dương quang và có thể được áp dụng cho các công nghệ sạch khác dựa vào cực dương quang. Công nghệ quang hợp nhân tạo thu giữ carbon dioxide và chuyển đổi nó thành nguồn năng lượng hóa học sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những ví dụ.
Tiến sĩ Ansoon Kim, nhà nghiên cứu chính tại Viện Đo lường Vật liệu Liên ngành KRISS, cho biết: “Phương pháp này có thể cải thiện tuổi thọ của photoanode khoảng 10 lần và góp phần đáng kể vào việc thương mại hóa hydro xanh.”
KRISS có kế hoạch tiến hành nghiên cứu sâu hơn để tiết lộ mức độ khuyết tật oxy tối ưu và các nguyên tắc cơ bản giúp tối đa hóa tuổi thọ của cực dương quang.
Là viện đo lường quốc gia (NMI) của Hàn Quốc được thành lập vào năm 1975, KRISS (Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc) đã phát triển công nghệ tiêu chuẩn đo lường và đóng vai trò then chốt trong việc nâng cấp các ngành công nghiệp chính của Hàn Quốc lên tầm toàn cầu.
Được hỗ trợ chủ yếu bởi KRISS và một phần là Chương trình Đổi mới Công nghệ của NRF (Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc), nghiên cứu đã được công bố trên trang bìa sau của Tạp chí Hóa học Vật liệu A (IF=14.511), một tạp chí quốc tế trong lĩnh vực hóa học vật liệu, vào ngày 28 tháng 2 năm 2023.
