Thiết kế một hệ PEC (photoelectrochemical) dùng bán dẫn nửa dẫn ánh sáng để tách nước. a. Chọn vật liệu photoelectrode (n-type hoặc p-type) và giải thích yêu cầu band positions so với oxi hóa khử nước....

Để thiết kế một hệ PEC (photoelectrochemical) dùng bán dẫn để tách nước, chúng ta cần xem xét một số yếu tố quan trọng: ### a. Chọn vật liệu photoelectrode và yêu cầu band positions **Vật liệu photoelectrode:** Một vật liệu phổ biến cho photoelectrode là TiO2 (titanium dioxide) vì nó có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và ổn định trong môi trường nước. TiO2 thường được sử dụng ở dạng n-type. **Yêu cầu band positions:** Để vật liệu photoelectrode hoạt động hiệu quả trong quá trình tách nước, mức năng lượng của các băng dẫn (conduction band) và băng hóa trị (valence band) phải được định vị sao cho: - **Băng hóa trị (Valence band)** cần nằm trên mức năng lượng của phản ứng oxy hóa nước (2H2O → O2 + 4H+ + 4e-), tức là nó phải đủ cao để oxy hóa nước. - **Băng dẫn (Conduction band)** cần nằm dưới mức năng lượng của phản ứng khử nước (2H+ + 2e- → H2), tức là nó phải đủ thấp để khử ion H+ thành H2. ### b. Các vấn đề về sự bền ánh sáng và cách cải thiện **Vấn đề:** 1. **Sự bền ánh sáng:** Nhiều vật liệu bán dẫn có thể bị phân hủy dưới ánh sáng mạnh hoặc trong môi trường nước, dẫn đến giảm hiệu suất. 2. **Tái hợp electron-hole:** Một trong những vấn đề chính trong quá trình quang điện hóa là sự tái hợp của electron và hole, làm giảm hiệu suất tạo ra dòng điện. **Cách cải thiện:** - **Co-catalyst:** Sử dụng co-catalyst như platin (Pt) hoặc các kim loại quý khác để tăng cường hiệu suất khử và oxy hóa, giảm tỷ lệ tái hợp electron-hole. - **Passivation:** Áp dụng lớp passivation lên bề mặt photoelectrode giúp giảm thiểu việc tái hợp electron-hole bằng cách tạo ra các trạng thái năng lượng bẫy, cho phép electron và hole được giữ lại lâu hơn. ### c. Quy trình đo hiệu suất và tiêu chí đánh giá **Quy trình đo hiệu suất:** 1. **Photocurrent:** Đo dòng điện quang (photocurrent) phát sinh từ photoelectrode khi tiếp xúc với ánh sáng. Điều này cho thấy khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. 2. **Incident Photon-to-Current Efficiency (IPCE):** Đo lường hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện, tính toán bằng cách chia photocurrent cho số photon chiếu lên photoelectrode. **Tiêu chí đánh giá:** - **Hiệu suất tách nước:** Tính toán lượng H2 sản xuất trên mỗi đơn vị điện năng tiêu thụ. - **Độ bền:** Kiểm tra thời gian hoạt động của photoelectrode trong môi trường nước và dưới ánh sáng. - **Khả năng tái hợp electron-hole:** Đánh giá bằng cách đo photocurrent dưới các điều kiện khác nhau và xem xét sự thay đổi. Tóm lại, thiết kế một hệ PEC hiệu quả đòi hỏi lựa chọn vật liệu phù hợp, cải thiện vấn đề bền ánh sáng và tái hợp electron-hole, cũng như thực hiện các phép đo chính xác để đánh giá hiệu suất.