Nâng cao hiệu suất chuyển hóa của chất xúc tác quang dạng bột tạo hydro từ nước dưới ánh sáng khả kiến
bởi Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến
(Bên trái) Diễn biến theo thời gian của nồng độ chất mang bị kích thích quang của chất xúc tác quang oxysulfua Y2Ti2O5S2 so với nồng độ đó ở 1 pico giây sau khi chiếu xạ ánh sáng. Ảnh chụp cho thấy Y2Ti2O5S2 dạng bột được sử dụng cho phép đo này. (Phải) Dự đoán hiệu suất với kích thước của hạt xúc tác quang. Ảnh: Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến
Vào năm 2019, Giáo sư Domen Kazunari theo hợp đồng đặc biệt của Đại học Shinshu và các đồng nghiệp đã phát triển chất xúc tác quang oxysulfua dạng bột Y2Ti2O5S2 có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời có bước sóng dưới 650 nm và phân tách nước thành hydro và oxy.
Chất xúc tác quang này liên tục phân tách nước thành hydro và oxy theo tỷ lệ thể tích là 2:1 trong khoảng thời gian 20 giờ và về mặt lý thuyết có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi hơn 10%. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi hiện tại thấp hơn 1% và cần cải thiện hơn nữa chất xúc tác quang, nhưng hướng dẫn không rõ ràng.
Phối hợp với các đối tác nghiên cứu, các nhà nghiên cứu của AIST hiện đã làm rõ các điều kiện cần thiết cho chất xúc tác quang oxysulfide Y2Ti2O5S2, chất này phân tách nước thành hydro và oxy dưới ánh sáng khả kiến, để đạt được hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành năng lượng phản ứng (sau đây gọi là "hiệu suất chuyển đổi") trên 10% để sử dụng thực tế.
Trong nghiên cứu này, bằng cách sử dụng quang phổ hấp thụ thoáng qua, nồng độ chất mang bị kích thích quang học của Y2Ti2O5S2 được ghi lại theo thời gian trong phạm vi sáu bậc độ lớn từ 1 pico giây đến 1 micro giây và các tính chất vật lý chẳng hạn như thời gian tồn tại của chất mang kích thích quang học ( sau đây, "tuổi thọ chất mang") ở dạng bột thu được bằng cách phân tích dữ liệu được ghi lại.
Sau đó, các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng các tính chất vật lý để thu được mối quan hệ giữa hiệu suất chuyển đổi và kích thước hạt bột. Người ta thấy rằng hiệu suất chuyển đổi có thể vượt quá 10% bằng cách giảm kích thước hạt xuống dưới 1 micromet. Hơn nữa, phân tích mô phỏng giả định hiệu ứng pha tạp để kéo dài tuổi thọ của chất mang cho thấy hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 10% bằng cách giảm nồng độ điện tử xuống 1/100 mức hiện tại.
Kết quả của nghiên cứu này cung cấp hướng dẫn định lượng để nâng cao hơn nữa hiệu quả chuyển đổi của chất xúc tác quang oxysulfide và phát triển vật liệu mới tạo ra hydro từ nước hiệu quả hơn.
