Các nhà khoa học đang tiến hành kiểm tra mẫu vật liệu quang xúc tác bán dẫn titanium dioxide (TiO₂) sau khi đã được cải tiến tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Thẩm Dương – Viện Nghiên cứu Kim loại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, vào ngày 7/4. Ảnh: Tân Hoa xã
Cách đây 150 năm, nhà văn khoa học viễn tưởng Jules Verne từng tiên đoán: Nước sẽ trở thành loại nhiên liệu tối thượng trong tương lai. Ngày nay, các nhà khoa học đang nỗ lực biến dự đoán đó thành hiện thực.
Viện trưởng Viện Nghiên cứu Kim loại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu – ông Lưu Cương – cho biết, nhóm nghiên cứu khoa học Trung Quốc gần đây đã đạt được tiến triển đột phá trong lĩnh vực “quang xúc tác phân tách nước để tạo hydro”.
Thông qua việc “tái cấu trúc” và “thay thế nguyên tố” trong vật liệu bán dẫn quang xúc tác là titanium dioxide (TiO₂), nhóm đã nâng cao đáng kể hiệu suất tạo khí hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society) ngày 8/4.
Hiện nay, có hai phương pháp chính để sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời.
Một là dùng pin năng lượng mặt trời để phát điện, sau đó điện phân nước – tuy có hiệu suất cao nhưng thiết bị phức tạp và chi phí đắt đỏ.
Hai là quang phân trực tiếp bằng ánh sáng mặt trời – sử dụng các vật liệu bán dẫn như titanium dioxide để “phân tách nước” dưới ánh sáng mặt trời.
Nhóm của ông Lưu Cương tập trung nghiên cứu vào phương pháp thứ hai.
Theo giới thiệu, phương pháp sử dụng titanium dioxide truyền thống để phân tách nước gặp trở ngại lớn: khi ánh sáng chiếu vào titanium dioxide, bên trong sẽ sinh ra các hạt mang điện (electron và lỗ trống Electron), những hạt này chính là “công cụ” để phân tách nước. Tuy nhiên, electron và lỗ trống Electron này lại không ổn định.
Ông Lưu Cương giải thích: “Electron và lỗ trống Electron giống như những chiếc xe đua bị lạc hướng, va chạm loạn xạ trong một mê cung là cấu trúc vật liệu; phần lớn sẽ tái kết hợp và biến mất trong vòng một phần triệu giây. Ngoài ra, quá trình chế tạo ở nhiệt độ cao thường làm nguyên tử oxy bị ‘rời khỏi nhà’, tạo ra khoảng trống oxy và bắt giữ electron, tất cả những điều này làm giảm hiệu suất phản ứng quang xúc tác”.
Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã sáng tạo đưa vào một nguyên tố “hàng xóm” của titanium trong bảng tuần hoàn – Scandi (Sc) để cải tiến titanium dioxide. Kết quả cho thấy, nguyên tố Scandi có ba ưu điểm lớn:
Thứ nhất, bán kính ion của Sc tương đương với Ti, nên có thể nhúng vào mạng tinh thể mà không làm biến dạng cấu trúc.
Thứ hai, trạng thái hóa trị ổn định của Sc giúp trung hòa sự mất cân bằng điện tích do khoảng trống oxy gây ra.
Thứ ba, Ion Sc có thể tái cấu trúc bề mặt tinh thể, tạo ra cấu trúc bề mặt đặc biệt, giống như xây dựng “đường cao tốc và nút giao thông cho electron và lỗ trống electron”, giúp chúng thoát khỏi mê cung một cách thuận lợi.
Nhờ điều chỉnh tinh vi, nhóm đã chế tạo thành công vật liệu titanium dioxide với hiệu suất vượt trội: khả năng hấp thụ tia cực tím vượt mức 30%, hiệu suất tạo hydro dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng tăng gấp 15 lần so với vật liệu cùng loại, thiết lập kỷ lục mới trong hệ vật liệu này.
Ông Lưu Cương cho biết: “Nếu sử dụng vật liệu này để làm một tấm quang xúc tác diện tích 1 mét vuông, dưới ánh nắng, mỗi ngày có thể tạo ra khoảng 10 lít khí hydro.”
Các nhà nghiên cứu cho biết thêm, titanium dioxide là vật liệu vô cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, sản lượng của Trung Quốc chiếm hơn 50% toàn cầu, đã hình thành chuỗi công nghiệp hoàn chỉnh. Trong khi đó, trữ lượng nguyên tố đất hiếm Scandi của Trung Quốc cũng đứng đầu thế giới. Điều này tạo nên lợi thế công nghiệp tiềm năng cho việc phát triển và ứng dụng các vật liệu quang xúc tác trong tương lai.
Khi hiệu suất quang phân tách nước tiếp tục được cải thiện, công nghệ này sẽ có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp, thúc đẩy chuyển đổi cơ cấu năng lượng toàn cầu.