Vật liệu quang điện cực mới cho sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời

Một giải pháp để sản xuất hydro theo phương pháp trung hòa carbon là tách nước bằng điện hóa, sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời. Điều này đòi hỏi các quang điện cực phải cung cấp một hiệu điện thế và dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng, đồng thời không bị ăn mòn trong nước.

Các hợp chất oxit kim loại có những điều kiện tiên quyết đầy hứa hẹn cho công nghệ này. Ví dụ: Thiết bị tách nước bằng năng lượng mặt trời sử dụng quang điện cực bismuth vanadate (BiVO4) đạt được hiệu suất năng lượng mặt trời thành hydro là gần 8%, gần với mức tối đa lý thuyết vật liệu là 9%.

Để đạt được hiệu suất vượt quá 9%, vật liệu mới cần thiết phải có khoảng cách vùng cấm (khe năng lượng trong vật liệu trạng thái rắn) nhỏ. Oxit kim loại α-SnWO4 có độ rộng vùng cấm là 1,9 eV, hoàn toàn thích hợp cho quá trình tách nước thành hydro và oxy quang điện hóa.

Theo lý thuyết, một tấm quang điện tử làm bằng vật liệu α-SnWO4 có thể chuyển đổi ~ 20% năng lượng ánh sáng mặt trời được chiếu xạ thành năng lượng hóa học (lưu trữ dưới dạng hydro). Nhưng nhược điểm là hợp chất này phân hủy rất nhanh trong môi trường nước.

TEM- ảnh (ảnh kính hiển vi điện tử) phim α-SnWO4 (xanh lục) được phủ lớp NiOx 20nm (màu hồng). Giữa bề mặt phân cách của α-SnWO4 và NiOx có thể quan sát thấy một lớp màng bổ sung, có thể là SnO2.

Các nhà nghiên cứu đã xác định được, các lớp mỏng niken oxit (NiOx) có thể bảo vệ tấm quang điện tử α-SnWO4 khỏi bị ăn mòn, nhưng lại làm giảm đáng kể điện áp. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, nhóm nhà khoa học do TS Fatwa Abdi thuộc Viện Nhiên liệu Mặt trời HZB của Đức đã phân tích chi tiết giao diện α-SnWO4/NiOx tại BESSY II (Máy đồng bộ tia X của Đức).

Nghiên cứu sinh tiến sĩ Patrick Schnell, thuộc Trường Nghiên cứu Quốc tế HI-SCORE tại HZB, tác giả thứ nhất của nghiên cứu khoa học cho biết: “Chúng tôi nghiên cứu các mẫu có độ dày khác nhau của NiOx bằng quang phổ quang điện tử tia X cứng (HAXPES) tại BESSY II và so sánh dữ liệu đo được với kết quả từ các tính toán và mô phỏng”...

Những kết quả thu được cho thấy có một lớp oxit mỏng, có thể là SnO2 hình thành trên bề mặt phân cách, làm giảm điện áp.

Công trình nghiên cứu cung cấp những hiểu biết cơ bản, mới về bản chất phức tạp của những giao diện trong quang điện cực, chế tạo trên cơ sở oxit kim loại. Những hiểu biết này rất hữu ích cho việc phát triển quang điện cực oxit kim loại có diện tích lớn, chi phí thấp, nghiên cứu cho thấy việc hiểu được các tính chất giao diện của các kết nối trạng thái rắn trên oxit kim loại là vấn đề vô cùng quan trọng trong việc phát triển các điện cực ổn định và hiệu quả cao để tách nước quang điện hóa.

Từ những thí nghiệm, nhóm nhà khoa học xác định, quang điện cực oxit kim loại α-SnWO4 đặc biệt có triển vọng trong công nghệ tương lai, sản xuất hydro bằng năng lượng ánh sáng mặt trời.

Để khắc phục giới hạn quang điện, cần phải tìm ra các kỹ thuật lắng đọng thay thế cho NiOx (ví dụ: Bay hơi chân không, lắng đọng lớp nguyên tử) hoặc các lớp bảo vệ/đồng chất xúc tác khác không làm thay đổi bề mặt của quá trình oxy hóa nhạy cảm α‐SnWO 4. Cống nghệ mới sẽ ngăn cản sự hình thành lớp oxit giao diện và cho phép khai thác điện áp tối đa từ hệ thống. 

TS Fatwa Abdi cho biết,  hiện các nhà khoa học đang nghiên cứu một quy trình lắng đọng thay thế cho NiOx trên α-SnWO4, không dẫn đến sự hình thành lớp oxit bề mặt SnO2 làm giảm điện áp. Nếu điều này thành công, hiệu suất quang điện hóa của α-SnWO4 sẽ tăng lên đáng kể.