Không xác định! Các nhà khoa học Trung Quốc tiết lộ "phép thần kỳ" của quá trình sản xuất hydro xúc tác quang từ năng lượng mặt trời

Phản ứng quang xúc tác năng lượng mặt trời có thể tách nước để tạo ra hydro và giảm carbon dioxide để tạo ra "nhiên liệu mặt trời". Làm thế nào để hiện thực hóa "phép thuật" kỳ diệu của ánh sáng mặt trời luôn là một bài toán khó trong lĩnh vực khoa học. Mới đây, một tin vui đến từ Viện Khoa học Trung Quốc: nhóm nghiên cứu do viện sĩ Li Can và nhà nghiên cứu Fan Fengtao thuộc Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (sau đây gọi là "Viện Vật lý Hóa học Đại Liên") dẫn đầu đã phát hiện thành công bí ẩn này và "chụp ảnh" điện tích được tạo ra Chuyển hình ảnh toàn thời gian tiến hóa. Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí học thuật quốc tế "Nature" vào ngày 12 tháng 10.

Thách thức khoa học cốt lõi của quá trình tách nước bằng quang xúc tác nằm ở chỗ làm thế nào để đạt được sự phân tách và vận chuyển hiệu quả các điện tích được tạo ra bởi quang điện. "Trong quá trình quang xúc tác, các electron và lỗ trống được quang hóa cần phải được tách ra khỏi phần bên trong của các hạt nano siêu nhỏ và chuyển lên bề mặt của chất xúc tác để bắt đầu phản ứng hóa học." Fan Fengtao giới thiệu rằng vì quá trình này kéo dài từ femto giây đến giây, từ nguyên tử đến micron Việc làm sáng tỏ cơ chế vi mô của quá trình này là vô cùng khó khăn.

"Nhóm của chúng tôi đã nghiên cứu giải quyết vấn đề này trong một thời gian dài. Trong công việc này, tích hợp nhiều công nghệ và lý thuyết tiên tiến, chúng tôi đã theo dõi toàn bộ quá trình phân tách và chuyển hóa sự phát triển của các điện tích được tạo ra trong các hạt nano trong toàn bộ không-thời gian miền.” Li Can nói.

Theo Li Can, bằng cách tích hợp nhiều kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến và mô phỏng lý thuyết, bao gồm kính hiển vi điện tử quang phát xạ phân giải thời gian (femto giây đến nano giây), quang phổ quang điện bề mặt thoáng qua (nano giây đến micro giây) và kính hiển vi quang điện áp bề mặt (micro giây) giây đến giây) , v.v., như một cuộc chạy tiếp sức, lần đầu tiên trong một hạt quang xúc tác để theo dõi toàn bộ cơ chế của các điện tử và lỗ trống đến trung tâm phản ứng bề mặt.

Khả năng theo dõi quá trình truyền điện tích theo thời gian và không gian sẽ thúc đẩy đáng kể sự hiểu biết về các cơ chế phức tạp trong quá trình chuyển đổi năng lượng, đồng thời cung cấp các ý tưởng và phương pháp nghiên cứu mới để thiết kế hợp lý các chất xúc tác quang với hiệu suất tốt hơn. “Trong tương lai, thành tựu này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy ứng dụng tách nước quang xúc tác mặt trời để sản xuất 'nhiên liệu mặt trời' trong đời sống thực tế, từng bước biến ước mơ thành hiện thực và cung cấp nguồn năng lượng xanh, sạch cho sản xuất và đời sống của chúng ta", Li Can nói.

Có ba lộ trình kỹ thuật điển hình để tách nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro, đó là điện phân nước hỗ trợ quang điện, tách nước xúc tác quang và tách nước xúc tác quang. Trong số đó, điện phân nước hỗ trợ quang điện, tức là sử dụng điện xanh do quang điện tạo ra để điện phân nước tạo ra hydro xanh.

Cách đơn giản và tiết kiệm nhất là sử dụng các chất xúc tác quang để thực hiện quá trình tách nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro. Việc xây dựng thiết bị dễ dàng hơn, chi phí tổng thể rẻ và dễ dàng mở rộng quy mô. Công nghệ này bắt đầu vào năm 1972 khi hai giáo sư Fujishima A và Honda K từ Đại học Tokyo lần đầu tiên báo cáo rằng các điện cực đơn tinh thể TiO2 phân hủy nước bằng quang xúc tác và tạo ra hydro, do đó cho thấy khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để phân hủy trực tiếp nước để tạo ra hydro Possibility, mở ra con đường nghiên cứu sản xuất hydro bằng cách quang phân nước sử dụng năng lượng mặt trời. Các chất xúc tác quang hiện đang lọt vào tầm nhìn của các nhà khoa học bao gồm tantalate, niobates, titanate và polysulfide.

Ngoài việc tìm kiếm chất xúc tác, làm thế nào để đạt được sự phân tách và vận chuyển hiệu quả các điện tích được tạo ra cũng là một phần quan trọng. Phát hiện của Viện Vật lý Hóa học Đại Liên có vai trò to lớn trong việc thúc đẩy quá trình sản xuất hydro bằng quang xúc tác.