Phát triển một số loại vật liệu xúc tác mới định hướng ứng dụng để sản xuất H2 từ nước và năng lượng mặt trời

Nghiên cứu tổng hợp mới các vật liệu sulfide đơn kim loại (MSx), lưỡng kim loại (M1M2Sx). Các kim loại được lựa chọn sẽ là các kim loại chuyển tiếp thuộc các dãy đầu của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học như: Cu, Co, Fe, Ni, Cr, Mn, Mo và W. Các phương pháp tổng hợp vật liệu khác nhau như tổng hợp dung dịch hóa học, thủy nhiệt, tổng hợp điện hóa vv sẽ được nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp phù hợp cho tổng hợp lượng lớn vật liệu.

Nghiên cứu cấu trúc hóa học và cơ chế hoạt động của các vật liệu xúc tác này trong quá trình xúc tác khử proton thành H2 trong nước. Kết hợp các xúc tác sulfide mới tổng hợp với các chất bán dẫn cấu trúc nano hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến như Si, Cu2O để chế tạo các chất xúc tác quang điện hóa định hướng sản xuất H2. Các phương pháp tổng hợp điện hóa, tổng hợp quang điện hóa hay các phương pháp đơn giản như drop-casting sẽ được nghiên cứu để mang các xúc tác trên lên trên bề mặt chất bán dẫn nano. Cơ chế hoạt động của các xúc tác quang điện hóa này sẽ được nghiên cứu chi tiết, làm cơ sở để tối ưu quá trình chế tạo chúng.

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Trần Đình Phong thực hiện đề tài “Phát triển một số loại vật liệu xúc tác mới định hướng ứng dụng để sản xuất H2 từ nước và năng lượng mặt trời”. Với mục tiêu: Tổng hợp, chế tạo các xúc tác mới là các sulfide đơn kim loại (MSx) hoặc lưỡng kim loại (M1M2Sx) có hoạt tính cao có khả năng thay thế xúc tác Pt trong các thiết kế PEC. Hiểu được cơ chế hoạt động của các xúc tác này làm cơ sở để tiếp tục phát triển các xúc tác mới với hoạt tính và khả năng ứng dụng tốt hơn. Chế tạo được các xúc tác quang điện hóa hiệu quả cho điều chế H2 từ nước và năng lượng mặt trời trên cơ sở kết hợp các xúc tác sulfide kim loại chuyển tiếp mới chế tạo và các chất bán dẫn cấu trúc nano hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Xây dựng được một tập thể nghiên cứu mạnh ở Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác mới có khả năng thay thế Pt trong các PEC sản xuất H2 với một số cán bộ nghiên cứu trẻ được đào tạo trực tiếp khi thực hiện đề tài.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Trong đề tài nghiên cứu này, các sulfide vô định hình của kim loại chuyển tiếp như MoSx, CoMoSx đã được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau: oxi hóa khử trong dung dịch hay thủy nhiệt sử dụng chất đầu Mo(CO)5, Co2(CO)8 và S nguyên tố; hay oxi hóa khử điện hóa sử dụng chất đầu [MoS4] 2- và [Co(MoS4)2] 2- . Ngoài ra, cũng bằng phản ứng oxi hóa khử điện hóa nhưng sử dụng dung dịch cluster [Mo3S13] 2- , màng MoSx cũng được chế tạo thành công. Áp dụng các qui trình chế tạo tương tự nhưng sử dụng Se nguyên tố thay cho S, chúng tôi đã thu được các vật liệu MoSe vô định hình cấu trúc nano. Các vật liệu thu được có hoạt tính xúc tác tốt cho phản ứng khử H+ tạo H2. Đặc biệt các vật liệu này là những đối tượng thú vị cho nghiên cứu cấu trúc và cơ chế hoạt động tạo H2. Một số kết quả đã được công bố trên các tạp chí ISI thuộc nhóm Q1.

Nghiên cứu trước đây của chúng tôi chỉ ra rằng CoWSx vô định hình được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa từ dung dịch [Co(WS4)2] 2- là một xúc tác hiệu quả cho phản ứng khử proton tạo H2. Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này chúng tôi phát hiện ra rằng, từ cùng dung dịch [Co(WS4)2] 2- nhưng thay đổi điều kiện chế tạo, một màng oxit vô định hình CoWO được tạo thành và oxit này là một xúc tác rất hiệu quả và bền cho phản ứng oxi hóa nước tạo O2 trong môi trường kiềm.

Cùng với p-Si, p-Cu2O là một vật liệu bán dẫn được chúng tôi lựa chọn nghiên cứu trong 5 năm trở lại đây. Các chất này là chất nhạy sáng. Khi kết hợp chúng với các xúc tác điện hóa chế tạo được điện cực quang catot hybrid cho quá trình tạo H2 từ nước và ánh sáng mặt trời. p-Cu2O có độ rộng vùng cấm khoảng 2,1 eV, do đó có khả năng khai thác hiệu quả vùng ánh sáng nhìn thấy của phổ ánh sáng mặt trời. Vùng dẫn của Cu2O nằm cao hơn so với thế của cặp 2H+/H2. Do đó, p-Cu2O được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm làm vật liệu nhạy sáng để chế tạo catot quang xúc tác. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của Cu2O là nó bị ăn mòn quang điện hóa rất nhanh (phản ứng (9), (10)). Do đó, thách thức hiện nay là tìm cách bảo vệ và đẩy nhanh tốc độ xúc tác tạo H2 trên bề mặt p-Cu2O, cạnh tranh với phản ứng ăn mòn.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16337/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)