Vật liệu Janus 2D có thể thu hoạch nhiên liệu hydro dồi dào
Mặt trên và mặt bên của cấu trúc nguyên tử được tối ưu hóa của các đơn lớp Janus AsXY (X = Se, Te; Y = Br, I). Ảnh: Tạp chí Vật lý Châu Âu B (2023). DOI: 10.1140/epjb/s10051-023-00486-2
Một số nghiên cứu đã dự đoán rằng phản ứng tách nước có thể được xúc tác bởi một số nhóm vật liệu 2D nhất định—mỗi nhóm chỉ dày vài nguyên tử. Một nhóm đặc biệt hứa hẹn được đặt tên là vật liệu Janus 2D, mỗi mặt của chúng có một thành phần phân tử khác nhau.
Thông qua các tính toán mới được trình bày chi tiết trong Tạp chí Vật lý Châu Âu B, Junfeng Ren và các đồng nghiệp tại Đại học Sư phạm Sơn Đông ở Trung Quốc đã giới thiệu một nhóm bốn vật liệu Janus 2D mới, có thể đặc biệt phù hợp với nhiệm vụ này.
Vì hydro giải phóng một lượng năng lượng dồi dào khi bị đốt cháy, chỉ có nước là sản phẩm phụ, nên hiện nay nó được coi là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho nhiên liệu hóa thạch. Việc tách phân tử nước liên quan đến phản ứng oxi hóa khử, trong đó các electron và lỗ trống tham gia phản ứng khử và oxi hóa.
Vì chúng là chất bán dẫn tuyệt vời nên vật liệu Janus 2D đặc biệt phù hợp để xúc tác cho phản ứng này. Khi một electron trong dải hóa trị cách điện của chất bán dẫn hấp thụ một photon, nó sẽ bị kích thích với dải dẫn của vật liệu, để lại một lỗ trống tích điện dương. Đổi lại, những vật liệu này vừa là nguồn vừa là chất nhận điện tử—cho phép các phản ứng oxi hóa khử xảy ra dễ dàng hơn.
Trong nghiên cứu lý thuyết của họ, nhóm của Ren đã kiểm tra một nhóm bốn vật liệu này: với một bề mặt bao gồm selen hoặc telua, và mặt kia từ brom hoặc iốt—với cả hai mặt kẹp một lớp nguyên tố ở giữa. Trong các chất bán dẫn này, năng lượng của các dải hóa trị và dải dẫn của chúng cách nhau đủ xa để ngăn các electron và lỗ trống dễ dàng tái hợp: cho phép chúng kết hợp các electron và lỗ trống để tạo ra hydro và oxy.
Với cả bốn vật liệu thể hiện tính ổn định và hấp thụ ánh sáng tuyệt vời, các nhà nghiên cứu tin rằng chúng có thể là những ứng cử viên vô cùng hứa hẹn để xúc tác cho phản ứng tách nước. Nếu những kết quả này có thể được tái tạo trong các thử nghiệm, nhóm của Ren hy vọng bốn vật liệu này có thể trở thành yếu tố chính trong nỗ lực toàn cầu nhằm loại bỏ lượng khí thải carbon của chúng ta trong vài thập kỷ tới.
