Vật liệu quang nhiệt tổng hợp bằng plasma có thể cho phép lọc nước hiệu quả bằng năng lượng mặt trời
bởi INRS
Hình ảnh SEM mặt cắt ngang điển hình của màng Ti4O7 phun phủ được lắng đọng trên chất nền silicon ở Ts = 25, 500 và 650 °C. Nguồn: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-82091-6
Công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng nhiệt đang không ngừng phát triển và có nhiều ứng dụng. Một bước đột phá trong phòng thí nghiệm của Giáo sư My Ali El Khakani tại Viện nghiên cứu khoa học quốc gia (INRS) đã có những đóng góp đáng kể cho lĩnh vực này.
Giáo sư El Khakani chuyên về các quy trình laser plasma để phát triển vật liệu có cấu trúc nano. Ông và nhóm của mình tại Trung tâm nghiên cứu viễn thông Énergie Matériaux đã phát triển một vật liệu quang nhiệt mới có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt với hiệu suất vô song. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Scientific Reports.
Trong nhiều thập kỷ, oxit titan theo tỷ lệ thành phần đã được biết đến với các đặc tính quang xúc tác đặc biệt của chúng. Một dạng dưới tỷ lệ thành phần của vật liệu này, được đặc trưng bởi sự thiếu hụt nhẹ các nguyên tử oxy, được gọi là "pha Magnéli", với các thành phần cụ thể thể hiện các đặc tính riêng biệt.
Trong số các pha này, Ti4O7 nổi bật là biến thể cung cấp các đặc tính điện, hóa học và xúc tác hấp dẫn nhất. Mặc dù hành vi quang nhiệt của nó chỉ mới được khám phá trong những năm gần đây, nhưng nghiên cứu mang tính đột phá của nhóm Giáo sư El Khakani đã tiết lộ tiềm năng vô song của màng mỏng Ti4O7 để chuyển đổi quang nhiệt siêu hiệu quả.
Đẩy mạnh giới hạn của vật liệu
Một trong những hạn chế chính đối với khả năng sử dụng Ti4O7 nằm ở quy trình tổng hợp và dạng cuối cùng của vật liệu thu được.
"Theo truyền thống, Ti4O7 được tổng hợp ở dạng bột bằng phương pháp khử nhiệt. Phương pháp này ngăn cản việc đạt được pha tinh khiết của vật liệu, khiến việc kiểm soát thành phần, hình thái và cấu trúc nano của vật liệu trở nên khó khăn", Loick Pichon, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại INRS và là tác giả chính của ấn phẩm cho biết.
"Các phương pháp khử nhiệt này thường tạo ra các pha hỗn hợp với một số thành phần hóa học, hạn chế khả năng tiếp cận toàn bộ tiềm năng của vật liệu tinh khiết, đặc biệt là độ dẫn điện của vật liệu". Hơn nữa, bột được tạo ra thường được nén thành các viên, hạn chế đáng kể kích thước của các điện cực thu được chỉ còn vài cm.
Giáo sư El Khakani và nhóm của ông đã chuyển sang một kỹ thuật được gọi là phun magnetron (hoặc plasma RF-magnetron) để lắng đọng các lớp màng mỏng của vật liệu này dưới dạng lớp phủ. Quy trình lắng đọng màng mỏng này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn.
"Lớp phủ Ti4O7 được lắng đọng thông qua phương pháp này (lớp màng dày vài trăm nanomet) làm thay đổi hoàn toàn các đặc tính bề mặt của chất nền, nếu không thì có thể thay đổi về kích thước hoặc thành phần vật liệu, từ tấm kim loại đến tấm silicon hoặc tấm thủy tinh", Giáo sư El Khakani giải thích.
"Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu của chúng tôi đã có đóng góp to lớn vì lần đầu tiên thiết lập được mối quan hệ cơ bản giữa khả năng hấp thụ quang học của màng Ti4O7 và hiệu suất chuyển đổi quang của chúng", Giáo sư El Khakani nói thêm.
Nhiều ứng dụng
Bằng cách cho phép lắng đọng có kiểm soát các màng Ti4O7 trên nhiều chất nền khác nhau, các nhà nghiên cứu INRS đang mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng có tác động. Lớp phủ Ti4O7 được định vị để đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các anot hiệu suất cao để khử nhiễm nước có chứa các chất ô nhiễm dai dẳng.
Các điện cực chống ăn mòn và dẫn điện cao này cũng có nhu cầu cao đối với các quy trình điện hóa liên quan đến sản xuất hydro và amoniac, hai lĩnh vực kinh tế quan trọng ở Québec. Với khả năng chuyển đổi quang nhiệt đặc biệt, các lớp phủ này cũng lý tưởng để sản xuất cửa sổ sưởi ấm thông minh, mang lại lợi ích đáng kể về mặt tiết kiệm chi phí và hiệu quả năng lượng.
"Khả năng tạo ra các lớp phủ quang nhiệt mỏng trên các bề mặt có kích thước hợp lý hứa hẹn đặc biệt cho quá trình khử muối thụ động trong các ứng dụng thích hợp, chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp và không yêu cầu đầu vào năng lượng điện bên ngoài, không giống như quy trình thẩm thấu ngược thường được sử dụng", Giáo sư El Khakani kết luận.
