Mỗi chiếc lá xanh đều có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học, lưu trữ nó trong các hợp chất hóa học.
Tuy nhiên, một quy trình phụ quan trọng của quang hợp đã có thể được bắt chước về mặt kỹ thuật — sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời: Ánh sáng mặt trời tạo ra dòng điện trong cái gọi là quang điện cực có thể được sử dụng để phân tách các phân tử nước.
>> Tham khảo: Nền tảng cảm biến để nghiên cứu hệ thống mạch máu trong ống nghiệm mở ra khả năng thử nghiệm thuốc.
Điều này tạo ra hydro, một loại nhiên liệu linh hoạt lưu trữ năng lượng mặt trời ở dạng hóa học và có thể giải phóng nó khi cần thiết.
Điện cực với nhiều tài năng
Tại Viện Nhiên liệu Mặt trời HZB, nhiều nhóm đang nghiên cứu tầm nhìn này. Trọng tâm nghiên cứu của họ là sản xuất các quang điện cực hiệu quả.
Đây là những chất bán dẫn ổn định trong dung dịch nước và có hoạt tính cao: Chúng không chỉ có thể chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện mà còn có thể đóng vai trò là chất xúc tác để đẩy nhanh quá trình phân tách nước.
Trong số những ứng cử viên tốt nhất cho quang điện cực hiệu quả và rẻ tiền là bismuth vanadate (BiVO4).
>> Tham khảo: Cải thiện hiệu suất của máy đẩy plasma không điện cực cho lực đẩy không gian.
Điều gì xảy ra khi ở trong nước?
Tiến sĩ David Starr của Viện Nhiên liệu Mặt trời HZB cho biết: “Về cơ bản, chúng tôi biết rằng chỉ bằng cách nhúng bismuth vanadat vào dung dịch nước, thành phần hóa học của bề mặt sẽ thay đổi.
Đồng nghiệp của ông, Tiến sĩ Marco Favaro cho biết thêm: “Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu về BiVO4, nhưng cho đến nay vẫn chưa rõ chính xác tác động của điều này đối với các đặc tính điện tử bề mặt khi chúng tiếp xúc với các phân tử nước.” Trong công việc này, họ đã điều tra câu hỏi này.
Pha tạp BiVO4 dưới hơi nước
Họ đã nghiên cứu các tinh thể BiVO4 đơn pha tạp molypden dưới hơi nước với quang phổ phát xạ áp suất xung quanh cộng hưởng tại Nguồn sáng Tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley.
Sau đó, một nhóm do Giulia Galli tại Đại học Chicago đứng đầu đã thực hiện các phép tính lý thuyết hàm mật độ để giúp giải thích dữ liệu và gỡ rối sự đóng góp của các nguyên tố riêng lẻ và quỹ đạo của electron đối với các trạng thái điện tử.
>> Tham khảo: Cách tiếp cận mới để đánh giá tình trạng sức khỏe của các dòng sông theo mùa.
Polaron trên bề mặt được phát hiện
Favaro cho biết: “Quá trình quang phát cộng hưởng tại chỗ đã cho phép chúng tôi hiểu các tính chất điện tử của tinh thể BiVO4 của chúng tôi thay đổi như thế nào khi hấp phụ nước.
Sự kết hợp giữa các phép đo và tính toán cho thấy rằng do điện tích dư thừa, được tạo ra bởi pha tạp chất hoặc khuyết tật trên các bề mặt nhất định của tinh thể, cái gọi là phân cực có thể hình thành: trạng thái cục bộ tích điện âm, nơi các phân tử nước có thể dễ dàng gắn vào và sau đó phân tách.
Các nhóm hydroxyl được hình thành thông qua sự phân ly nước giúp ổn định hơn nữa sự hình thành phân cực. “Các electron dư thừa được định vị dưới dạng các phân cực tại các đơn vị VO4 trên bề mặt,” Starr tóm tắt kết quả.
Tối ưu hóa dựa trên tri thức
“Điều chúng tôi chưa thể đánh giá chắc chắn là vai trò của các polaron trong việc truyền điện tích. Liệu chúng có thúc đẩy nó và do đó tăng hiệu quả hay ngược lại, là một trở ngại, chúng tôi vẫn cần phải tìm ra điều đó,” Starr thừa nhận.
>> Tham khảo: Nanocarrier spray: Cây trồng tốt hơn mà không cần biến đổi gen.
Các kết quả cung cấp những hiểu biết có giá trị về các quy trình làm thay đổi thành phần hóa học bề mặt và cấu trúc điện tử, đồng thời có thể thúc đẩy thiết kế dựa trên kiến thức về các cực dương quang tốt hơn để sản xuất hydro xanh.
