Thiết kế vật liệu xúc tác quang điện để phân li nước thành H2 và O2 dưới ánh sáng mặt trời. a. Nêu các yêu cầu về dải năng lượng, băng cách và vị trí dải dẫn/đáy cho phản ứng. b. Đề xuất vật liệu hoặc...

a. Các yêu cầu về dải năng lượng, băng cách và vị trí dải dẫn/đáy
Để một vật liệu hoạt động như một chất xúc tác quang điện (PEC) hiệu quả để phân li nước, nó cần đáp ứng các yêu cầu cụ thể về cấu trúc dải năng lượng:

Băng cách (Band Gap - E 
g
​
): Băng cách của vật liệu phải phù hợp để hấp thụ ánh sáng mặt trời. Phổ năng lượng của mặt trời chủ yếu nằm trong khoảng 1.1 eV (tương ứng với bức xạ hồng ngoại) đến 3.1 eV (tương ứng với tia cực tím). Do đó, băng cách của vật liệu xúc tác quang điện nên nằm trong khoảng từ 1.7 eV đến 2.5 eV. Băng cách quá nhỏ sẽ hấp thụ ánh sáng hiệu quả nhưng lại không đủ năng lượng để tách nước. Băng cách quá lớn sẽ không hấp thụ được phần lớn ánh sáng khả kiến.

Vị trí dải dẫn (Conduction Band - CB) và dải hóa trị (Valence Band - VB): Đây là yêu cầu quan trọng nhất.

Đáy dải dẫn (Conduction Band Minimum - CBM) của vật liệu phải có năng lượng âm hơn so với tiềm năng khử của phản ứng sinh hydro (H 
+
/H 
2
​
), tức là 0 V (so với điện cực chuẩn hydro - SHE). Điều này đảm bảo các electron quang sinh có đủ năng lượng để khử H 
+
 thành H 
2
​
.

Đỉnh dải hóa trị (Valence Band Maximum - VBM) của vật liệu phải có năng lượng dương hơn so với tiềm năng oxi hóa của phản ứng sinh oxy (O 
2
​
/H 
2
​
O), tức là +1.23 V (so với SHE). Điều này đảm bảo các lỗ trống quang sinh có đủ năng lượng để oxi hóa H 
2
​
O thành O 
2
​
.

Cụ thể, để có hiệu suất cao, CBM nên nằm dưới -0.5 V và VBM nên nằm trên +1.7 V (so với SHE) để có một động lực điện hóa đủ lớn.

b. Đề xuất vật liệu và hệ tạp chất để tăng hiệu suất
Một số vật liệu bán dẫn có tiềm năng làm xúc tác quang điện, nhưng thường không đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu. Do đó, cần phải có những biện pháp cải thiện:

Vật liệu đơn
TiO 
2
​
 (Titan dioxide): Là một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất. Tuy nhiên, nó có băng cách lớn (khoảng 3.2 eV), nên chỉ hấp thụ được tia cực tím (UV).

Fe 
2
​
O 
3
​
 (Hematite): Có băng cách khoảng 2.1 eV, phù hợp với phổ mặt trời, nhưng có hiệu suất thấp do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống nhanh.

Cu 
2
​
O (Đồng(I) oxit): Có băng cách nhỏ (khoảng 2.17 eV), nhưng không ổn định trong môi trường nước và dễ bị ăn mòn.

Đề xuất hệ phân tạp (Doping) và dị thể (Heterojunction) để cải thiện hiệu suất:
Phân tạp (Doping): Bằng cách thêm một nguyên tố khác vào mạng tinh thể của vật liệu chính.

Phân tạp TiO 
2
​
 với các nguyên tố không kim loại: Ví dụ, phân tạp TiO 
2
​
 với nitơ (N) hoặc carbon (C) sẽ tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng băng cách, giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến và tăng hiệu suất.

Giải thích: Sự phân tạp làm giảm băng cách hiệu dụng của vật liệu, cho phép nó hấp thụ được nhiều photon năng lượng thấp hơn từ ánh sáng mặt trời.

Cấu trúc dị thể (Heterojunction): Kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu bán dẫn khác nhau.

Hệ TiO 
2
​
/Si hoặc TiO 
2
​
/Fe 
2
​
O 
3
​
: Cấu trúc này tạo ra một trường điện nội tại tại mặt phân cách. Khi ánh sáng chiếu vào, electron và lỗ trống được sinh ra. Trường điện này sẽ giúp tách rời hiệu quả electron và lỗ trống, ngăn chúng tái hợp và tăng hiệu suất quang phân.

Giải thích: Electron được tạo ra ở TiO 
2
​
 sẽ chuyển sang Si hoặc Fe 
2
​
O 
3
​
, và lỗ trống sẽ ở lại TiO 
2
​
 (hoặc ngược lại, tùy thuộc vào sự sắp xếp của các dải năng lượng). Việc này tạo ra sự phân tách không gian giữa electron và lỗ trống, làm giảm sự tái hợp và tăng khả năng phản ứng.

c. Quy trình đánh giá hiệu năng trong phòng thí nghiệm
Để đánh giá hiệu năng của vật liệu xúc tác quang điện, ta cần thực hiện các phép đo sau:

Thiết lập hệ thống quang điện hóa:

Sử dụng một bình điện phân có ba điện cực: điện cực làm việc (vật liệu xúc tác), điện cực đối (thường là platinum), và điện cực tham chiếu (ví dụ: điện cực calo bão hòa).

Sử dụng nguồn sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời (ví dụ: đèn Xenon).

Đo dòng điện và điện áp bằng máy đo điện thế (potentiostat) và các cảm biến.

Đánh giá hiệu suất sản xuất H 
2
​
:

Sử dụng một máy sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) để định lượng sản phẩm khí H 
2
​
 và O 
2
​
 sinh ra trong quá trình quang phân.

Thời gian đo được ghi lại để tính tốc độ sản xuất khí theo giờ (mol/h).

Đánh giá hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency):

Hiệu suất lượng tử bên ngoài (External Quantum Efficiency - EQE): Đo số electron được tạo ra trên mỗi photon chiếu vào.
EQE= 
S 
o
ˆ

ˊ
 photon chi 
e
ˆ

ˊ
u v 
a
ˋ
o
S 
o
ˆ

ˊ
 electron tạo th 
a
ˋ
nh
​
 

Quy trình: Chiếu ánh sáng đơn sắc với các bước sóng khác nhau lên vật liệu và đo dòng điện quang.

Hiệu suất lượng tử bên trong (Internal Quantum Efficiency - IQE): Đo số electron được tạo ra trên mỗi photon hấp thụ.
IQE= 
S 
o
ˆ

ˊ
 photon h 
a
ˆ

ˊ
p thụ
S 
o
ˆ

ˊ
 electron tạo th 
a
ˋ
nh
​
 

Quy trình: Cần đo thêm khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu (phổ hấp thụ UV-Vis).

Hiệu suất chuyển đổi quang năng sang hóa năng (Solar-to-Hydrogen - STH): Đây là hiệu suất tổng thể, tính toán năng lượng hóa học được tích trữ trong H 
2
​
 so với năng lượng ánh sáng mặt trời đã chiếu vào.
STH= 
N 
a
˘
ng lượng  
a
ˊ
nh s 
a
ˊ
ng chi 
e
ˆ

ˊ
u v 
a
ˋ
o
N 
a
˘
ng lượng của H 
2
​
 tạo ra
​
 

Công thức: STH= 
P 
in
​

I 
ph
​
×(1.23 V)
​
×100%

Trong đó, I 
ph
​
 là mật độ dòng điện quang, P 
in
​
 là công suất ánh sáng chiếu vào.

Những phép đo này giúp các nhà khoa học đánh giá toàn diện hiệu năng của vật liệu xúc tác quang điện và tìm ra hướng đi để cải thiện chúng.