Cấu trúc nano bắt ánh sáng nhiều hơn cho sản xuất nhiên liệu mặt trời

09/04/2014

Các nhà khoa học đang nghiên cứu dùng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng thay thế.

Do sự phụ thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch ngày càng gây ra nhiều vấn đề, các nhà khoa học đang nghiên cứu dùng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng thay thế. Để sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời, ánh sáng mặt trời được chuyển thành hydro hoặc một loại năng lượng hóa học khác. So với năng lượng được sản xuất bằng các pin mặt trời, ánh sáng mặt trời trực tiếp chuyển đổi thành điện, nhiên liệu năng lượng mặt trời chẳng hạn như hydro có lợi thế là dễ dàng lưu trữ hơn để sử dụng về sau.

Minh họa của một điện cực quang hematit gồm một dãy dầm nano (màu đỏ) trên một lớp dẫn điện ITO (màu xanh đậm). Cấu trúc dầm nano tăng sự hấp thu ánh sáng mặt trời tại giao diện hematite/H2O, dẫn đến sự chuyển đổi hiệu quả hơn của ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu năng lượng mặt trời. Ảnh: Soo Jin Kim, et al. ©2014 American Chemical Society

Vì ánh sáng mặt trời đi đến Trái đất vô cùng lớn, nên việc sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời có khả năng làm một nguồn năng lượng sạch toàn cầu với quy mô tới tera-oat. Nhưng để điều này trở thành thực tế, cần phải cải thiện các chất xúc tác quang để tăng cường hấp thụ ánh sáng và bẫy ánh sáng, cả về hiệu suất cao hơn lẫn chi phí thấp hơn.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật liệu tiên tiến Geballe ở Stanford, California (Hoa Kỳ), đã chứng minh rằng chất xúc tác quang được làm từ oxit sắt có hiệu suất tăng đáng kể khi chúng được chế tạo theo các cấu trúc nano. Bài báo của họ được công bố trên tạp chí Nano Letters.

"Tôi nghĩ rằng tiến bộ đáng kể nhất là nghiên cứu sẽ cung cấp các hướng dẫn có giá trị cho việc thiết kế các vật liệu quang xúc tác cấu trúc nano mới có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả và thúc đẩy các phản ứng xúc tác", giáo sư Mark L. Brongersma tại Stanford nói. "Hy vọng rằng, nó sẽ kích thích thêm việc nghiên cứu về kiểm soát photon cho các vật liệu xúc tác quang. Việc sử dụng kiểm soát photon trong sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời tụt hậu rất xa so với sự phát triển các chiến lược kiểm soát photon cho các pin năng lượng mặt trời".

Như các nhà nghiên cứu giải thích, oxit sắt trong pha hematit (Fe2O3) là một chất bán dẫn rất phong phú trên trái đất với khe năng lượng (bandgap) là 590 nm, được coi là gần tối ưu để tách nước và tạo ra hydro. Do nó hấp thụ các photon trên một phần tương đối lớn của dải quang phổ mặt trời, nên nó vượt trội so với các vật liệu xúc tác khác hấp thụ các phần nhỏ hơn của quang phổ mặt trời.

Mặc dù có những lợi thế này, hematit có một điểm yếu: nó không thể hấp thụ các photon gần bề mặt của nó, dẫn đến nhiều tác nhân kích thích quang tái hợp lại chứ không phải tham gia vào phản ứng hóa học để sản xuất hydro. Vấn đề này xảy ra là do sự không phù hợp giữa chiều dài khuếch tán phần tử mang (carrier) của hematit rất ngắn (cấp nanomet) so với chiều sâu hấp thụ của ánh sáng (cấp micromet gần bề mặt). Vì vậy, mặc dù có các photon, nhưng chúng không thể sử dụng được một cách hiệu quả.

Nghiên cứu trước đây đã cố gắng để giải quyết vấn đề này bằng cách cho thêm các cấu trúc nano kim loại để tăng cường hấp thụ ánh sáng trong khu vực gần bề mặt của chất xúc tác quang. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả do bị thất thoát quang nội tại trong kim loại.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã khắc phục vấn đề thất thoát quang này bằng cách tạo hình mẫu nano cho bản thân các chất xúc tác quang hematit. Các cấu trúc nano cho phép chất xúc tác quang vượt qua sự không phù hợp bất lợi giữa các quy mô khuếch tán phần tử mang và độ dài hấp thụ photon, và phân bố lại các photon đến vùng gần bề mặt.

Lợi ích của cấu trúc nano xuất phát từ thực tế là nó cho phép ánh sáng mặt trời để thúc đẩy cộng hưởng quang trong hematit, dẫn đến sự gia tăng cả hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Bằng cách điều chỉnh kích thước, hình dạng, khoảng cách, và môi trường điện môi của các cấu trúc nano, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa và điều chỉnh các bước sóng cộng hưởng trên suốt dải quang phổ mặt trời.

Chiến lược cấu trúc nano chất xúc tác quang này có thể được mở rộng ra các vật liệu quang xúc tác khác. Do các kỹ thuật tạo mẫu nano tiếp tục được sử dụng thường xuyên hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nên các mảng cấu trúc nano có thể được chế tạo không tốn kém trên diện rộng.

Theo Nano Letters

Cấu trúc nano bắt ánh sáng nhiều hơn cho sản xuất nhiên liệu mặt trời

Thông báo nhận hồ sơ các Giải thưởng hiệu quả năng lượng năm 2024

Điện khí hóa lò cao tiết kiệm năng lượng trong sản xuất thép

Bản quyền thuộc Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững, Bộ Công Thương