KRISS đã giới thiệu cơ chế vận chuyển chất mang của một photoanode với màng bảo vệ để tăng cường sản xuất hydro xanh. Tiến bộ này có thể hỗ trợ đạt được sản xuất hydro xanh không carbon và quang hợp nhân tạo.
Nổi bật là nghiên cứu về cơ chế phân tách nước quang điện hóa trên anode quang Si được thụ động hóa bằng lớp TiOx với mật độ khuyết tật khác nhau từ phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Ansoon Kim tại Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn & Khoa học Hàn Quốc (KRISS). Tín dụng: Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS)
Hydrogen gần đây đã được chú ý như một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả. Nhưng nó có thực sự thân thiện với môi trường? Hiện tại, loại hydro phổ biến nhất là “hydro xám”, có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Xem xét lượng khí thải nhà kính được tạo ra trong quá trình sản xuất, hydro xám không thực sự thân thiện với môi trường. Thời đại của “hydro xanh”, không tạo ra bất kỳ khí thải carbon nào, vẫn còn ở phía trước.
Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), dưới sự lãnh đạo của Chủ tịch Hyun-min Park, đã giới thiệu một giải pháp tiềm năng cho photoanode bền và hiệu quả với màng bảo vệ, là công cụ 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 tiêu biểu để sản xuất hydro màu xanh lá cây là quá trình phân tách nước quang điện hóa bằng cách sử dụng một 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 điện cực và có khả năng duy trì độ dẫn điện tối ưu.
Để quá trình 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. Tín dụng: Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS)
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 anode quang bằng titan điôxít (TiO2) để tối đa hóa hiệu quả sản xuất hydro. Để khám phá vai trò của các khiếm khuyết oxy trong cơ chế truyền điện tích, nhóm nghiên cứu đã xác định mức độ tối ưu của các khiếm khuyết 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 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.
Tham khảo: “Vai trò của mật độ khuyết tật trong lớp bảo vệ TiO x của photoanode n-Si để tách nước quang điện hóa hiệu quả” của Songwoung Hong, Woo Lee, Yun Jeong Hwang, Seungwoo Song, Seungwook Choi, Hyun Rhu, Jeong Hyun Shimbe và Ansoon Kim, ngày 13 tháng 1 năm 2023, Tạp chí Hóa học Vật liệu A .
DOI: 10.1039/D2TA07082K
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc.
