Làm sáng tỏ các tương tác giao thoa của perovskite không chì để sản xuất hydro hiệu quả
bởi Đại học Thành phố Hồng Kông
Sơ đồ minh họa của một quang điện cực lắng đọng với chất xúc tác quang perovskite halogenua dựa trên bismuth. ( a ) Động học chuyển điện tử không đồng nhất trong phản ứng tách hydro iodide quang hóa. ( b ) Động lực vận chuyển exciton của các cặp lỗ electron-lỗ quang được tạo ra; ( c ) Động lực học giao thoa của quá trình chuyển điện tử trạng thái kích thích. Nguồn: Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Sam Hsu / Đại học Thành phố Hồng Kông
Việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hydro đại diện cho một kỹ thuật xanh đầy hứa hẹn để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng và giảm phát thải nhiên liệu hóa thạch. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) gần đây đã phát triển một chất xúc tác quang perovskite không chì mang lại khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro hiệu quả cao.
Quan trọng nhất, họ đã tiết lộ động lực học giao thoa của các giao diện rắn-rắn (giữa các phân tử perovskite halogenua) và rắn-lỏng (giữa perovskite halogenua và chất điện phân) trong quá trình sản xuất hydro quang điện hóa. Những phát hiện mới nhất mở ra một con đường để phát triển một phương pháp chạy bằng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn để sản xuất nhiên liệu hydro trong tương lai.
Hydrogen được coi là một giải pháp thay thế năng lượng tái tạo tốt hơn và hứa hẹn hơn do sự phong phú, mật độ năng lượng cao và thân thiện với môi trường của nó. Ngoài việc tách nước bằng quang điện hóa, một phương pháp sản xuất hydro đầy hứa hẹn khác là tách axit hydrohalic bằng cách sử dụng các chất xúc tác quang chạy bằng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, tính ổn định lâu dài của chất xúc tác quang là một thách thức quan trọng, vì hầu hết các chất xúc tác làm từ oxit kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại đều không ổn định trong điều kiện axit.
Tiến sĩ Sam Hsu Hsien-Yi, Trợ lý Giáo sư tại Trường Năng lượng và Môi trường giải thích: "Perovskite lai dựa trên chì được sử dụng để khắc phục vấn đề ổn định này, nhưng khả năng hòa tan cao trong nước và độc tính của chì hạn chế tiềm năng ứng dụng rộng rãi của chúng". và Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật tại CityU.
"Ngược lại, perovskites dựa trên bismuth đã được xác nhận là cung cấp một giải pháp thay thế không độc hại, ổn định về mặt hóa học cho các ứng dụng nhiên liệu mặt trời, nhưng hiệu quả xúc tác quang cần phải được nâng cao."
Được thúc đẩy để thiết kế một chất xúc tác quang hiệu quả và ổn định, Tiến sĩ Hsu và các cộng sự của ông gần đây đã phát triển một perovskite halogenua dựa trên bismuth với cấu trúc kênh khe hở để vận chuyển hạt tải điện hiệu quả cao. Nó là một perovskite hỗn hợp halogen, trong đó sự phân bố của các ion iodua giảm dần từ bề mặt vào bên trong, tạo thành cấu trúc phễu bandgap, giúp thúc đẩy sự truyền điện tích do ảnh từ bên trong ra bề mặt để tạo ra phản ứng oxi hóa khử xúc tác quang hiệu quả .
Perovskite mới được thiết kế này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cao, thể hiện tốc độ tạo ra hydro được tăng cường lên tới khoảng 341 ± 61,7µmol h−1 với chất đồng xúc tác bạch kim dưới bức xạ ánh sáng khả kiến. Các phát hiện đã được xuất bản trong Phương pháp nhỏ.
Nhưng nhóm của Tiến sĩ Hsu không dừng lại ở đó. Tiến sĩ Hsu cho biết: “Chúng tôi muốn khám phá các tương tác động giữa các phân tử perovskite halogen và các phân tử ở giao diện giữa quang điện cực và chất điện phân, điều vẫn chưa được biết”.
"Vì quá trình sản xuất hydro quang điện hóa liên quan đến quá trình xúc tác, nên việc tạo ra hydro hiệu quả cao có thể đạt được bằng cách hấp thụ ánh sáng cường độ cao bằng cách sử dụng chất bán dẫn làm chất xúc tác quang có cấu trúc dải năng lượng phù hợp và khả năng phân tách điện tích hiệu quả, được hỗ trợ bởi một điện trường bên ngoài hình thành gần chất lỏng bán dẫn giao diện."
Để khám phá động lực truyền exciton, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hiện tượng quang phát quang phân giải thời gian phụ thuộc vào nhiệt độ để phân tích sự vận chuyển năng lượng của các cặp electron-lỗ trống giữa các phân tử perovskite. Họ cũng đánh giá hệ số khuếch tán và hằng số tốc độ truyền điện tử của vật liệu perovskite halogenua trong dung dịch để minh họa hiệu quả của việc vận chuyển điện tử qua các giao diện chất lỏng-rắn giữa một điện cực quang dựa trên perovskite và chất điện phân.
Tiến sĩ Hsu cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh làm thế nào chất xúc tác quang mới được thiết kế của chúng tôi có thể đạt được hiệu quả tạo ra hydro quang điện hóa hiệu suất cao nhờ quá trình truyền điện tích hiệu quả”.
Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu cũng chứng minh rằng perulfit halogenua có cấu trúc phễu bandgap có quá trình phân tách và chuyển điện tích hiệu quả hơn giữa giao diện của điện cực và chất điện phân.
Sự phân tách điện tích được cải thiện có thể thúc đẩy sự di chuyển của các hạt mang điện lên bề mặt của perulfit halogenua lắng đọng trên kính dẫn điện dưới dạng quang điện cực, cho phép hoạt động quang điện hóa nhanh hơn trên bề mặt của quang điện cực. Do đó, sự truyền điện tích hiệu quả bên trong các perovskite halogen có cấu trúc phễu bandgap thể hiện mật độ dòng quang tăng cường dưới sự chiếu xạ của ánh sáng.
Tiến sĩ Hsu giải thích: “Việc bao quát các động lực học liên vùng của những vật liệu mới này trong quá trình tạo ra hydro quang điện hóa là một bước đột phá quan trọng. Một sự hiểu biết sâu sắc về các tương tác liên vùng giữa perovskite halogen và chất điện phân lỏng có thể xây dựng nền tảng khoa học cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. lĩnh vực này để tiếp tục nghiên cứu phát triển các vật liệu thay thế và hữu ích để sản xuất hydro nhờ năng lượng mặt trời."
Các phát hiện đã được xuất bản trong Tạp chí Advanced Materials
