Năng lượng mặt trời có thể coi là nguồn năng lượng vô tận. Nhưng chưa tới 1% được giữ lại trên trái đất qua quá trình quang hợp và bức xạ nhiệt. Vì vậy làm sao để giữ lại và chuyển thành các dạng năng lượng khác phục vụ con người là một đối tượng nghiên cứu đang được quan tâm hiện nay. Từ 1954, silicon solar cell ra đời để biến solar energy thành electricity và đã được liên tục cải tiến. Đến nay hiệu năng chuyển hóa cực đại solar energy to electricity của thiết bị này là 30%. Silicon solar cell phụ thuộc vào nền công nghiệp bán dẫn silicon, làm cho giá thành electricity tạo ra rất đắt hơn so với các nguồn năng lượng khác (fossil fuel, hydroelectricity, tidal power, geothermal power, wind power, nuclear power…). Nhiều nghiên cứu đang được tiến hành ở khắp các phòng TN trên thế giới để tìm ra thiết bị tối ưu nhằm giảm giá thành của nguồn năng lượng này. Và có thể nói là chưa đạt được thành tựu gì đáng kể. Hiện nay trên thế giới có ba hướng mà các nhà hóa học chúng ta có thể tham gia: solar hydrogen, solar cell, artificial photosynthesis.
Ở khoa ta hiện nay có vài người đã và đang nghiên cứu trực tiếp về các vấn đề này. Tuy là một phần rất nhỏ trong lĩnh vực phức tạp này và khả năng triển khai nghiên cứu ở khoa ta chắc còn xa; nhưng có còn hơn không, chúng ta hãy cùng nhau thảo luận về vấn đề này nhé. Trước hết là giúp cho nhiều người hiểu được lĩnh vực mới mẻ này, sau nữa là thảo luận các khả năng có thể triển khai nghiên cứu ở khoa Hóa mình.
Mình không có nhiều hiểu biết lắm về mảng này nên rất mong được thảo luận với mọi người để có thể tăng level về mảng này.
Mặt trời là nguồn chiếu sáng và cũng là nguồn cung cấp nhiệt cho Trái đất. Quá trình cung cấp này được hoạt động tương tự như principe của bom Hydro.Thực tế, năng lượng mặt trời có được là nhờ vào các phản ứng hạt nhân diễn ra trong hạt nhân của nó. Nhiệt độ cực cao của mặt trời (t° ở nhân có thể đạt đến khoảng 15 triệu độ) cho phép các nguyên tử H ở đó có thể đạt đến một “super” tốc độ và dẫn đến các sự va chạm với nhau. Các hạt nhân nguyên tử H hợp nhất theo nhóm của 4 hạt một với nhau và tạo thành He. Sự va chạm “shock” này là rất mạnh và một phần của atom chuyển thành năng lượng. Và chính năng lượng này là nguồn cung cấp ánh sáng và nhiệt lượng cho trái đất xinh tươi của chúng ta. Và đó cũng là nguồn cung cấp duy nhất cho Trái đất và vì vậy mới dẫn đến rất nhiều điều kiện khí hậu khác nhau trên trái đất.
Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời, nhưng bên cạnh đó, năng lượng này cũng bị mất đi dưới dạng bức xạ. Và thực tế mặt trời bức xạ cũng như cơ thể chúng ta vậy. Tất cả vật chất có nhiệt độ cao hơn -273K đều phát bức xạ. Trong trường hợp của trái đất và cơ thể người thì bức xạ ấy là bức xạ hồng ngoại.
Con người mong muốn tận dụng nguồn năng lượng này dưới 2 dạng: chuyển thành năng lượng điện và hướng thứ hai là chuyển trực tiếp thành nhiệt.
-Pin mặt trời:
Việc chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng được phát triển đầu tiên bởi Antoine Becquerel vào năm 1839(lâu lắc gùi). Vật liệu cơ bản cần thiết cho việc chuyển hóa này là Silic. Dưới tác dụng của hạt ánh sáng “photon”, các hạt silic bị kích thích và sản sinh ra điện.
Còn trong việc tận dụng năng lượng mặt trời thành các thiết bị nhiệt thì đơn giản hơn: các thiết bị này được tạo nên từ một “vật đen”, một chất lỏng caloporter (hỗn hợp nước và antigel (chất chống đông)), một thiết bị cách nhiệt, một lớp vỏ trong suốt (lớp vỏ này phải đảm bảo cho hiệu ứng nhà kính có thể diễn ra) (T° từ 30-90°)
Trên đây là một chút kiến thức cơ bản về lĩnh vực này mang tính chất phổ biến kiến thức nhiều hơn.
hiện nay, mặc dù hiệu suất chuyển hóa đã có thể đạt đến 11% nhưng vấn đề quan trọng được đặt ra nhằm có thể ứng dụng trong thực tế chính là độ bền của vật liệu khi các vật liệu này được đặt rất lâu dưới ánh sáng, nhiệt đó, mưa, bão… Để có thể tiến hành một loại vật liệu có thể hoạt động bền bỉ trong khoảng thời gian 20 năm, mời các bạn sang bõ “vật liệu vô cơ” để tiếp tục thảo luận tiếp
to aqhl: sorry bạn nha, ben vo cơ còn ít bài quá, nên phải mở bên í.
Một trong những hướng nghiên cứu hiện nay trong solar energy là dùng ánh sáng mặt trời tách nước tạo H2, nguồn nhiên liệu lý tưởng trong tương lai. Bắt đầu nghiên cứu từ thập kỹ 1960, năm 1972 Akira Fujishima đăng công trình gây chấn động trên Nature. Dựa trên cell đơn giản nhưng có thể tách nước khi ánh sáng chiếu qua.
TiO2 dùng dạng rutile. Khi chiếu ánh sánh với bước sóng nhỏ hơn 415 nm (UV) lên bề mặt TiO2, xuất hiện dòng điện chạy từ điện cực platinum tới điện cực TiO2. Các pư xảy ra ở điện cực như sau:
Khi chiếu UV trên TiO2, tạo ra các lỗ trống và các electron. Lỗ trống kết hợp với nước tạo ra O2 và H+. e và H+ di chuyển qua điện cực platinum (H+ di chuyển trong dung dịch, e di chuyển trên dây dẫn). Tại điện cực Pt, H+ kết hợp với e tạo H2.
Tuy nhiên, hiệu quả tách nước trên hệ này rất nhỏ (< 1%), nên hiện nay nhiều nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tăng hiệu quả tách nước.
Năm 1991, Micheal Cratzel (Thụy Sĩ) công bố trên Nature một loại solar cell mới, hiệu suất chuyển hóa solar energy to electricity tương đối cao (10%), chi phí chế tạo rẽ hơn so với solar cell silicon bán dẫn, và thời gian sử dụng tương đối dài (10 năm). Cấu tạo gồm 2 điện cực thủy tinh (2 tấm thủy tinh phủ một lớp oxide dẫn điện) ghép lại với nhau. Điện cực anode được phủ bằng một lớp TiO2 hấp phụ dye. Điện cực cathode phủ một lớp platinum mỏng. Giữa 2 điện cực là dung dịch I-/I3- (iodide/triiodide, mediator).
Nguyên lý hoạt động: khi chiếu xạ, dye (S) hấp thu ánh sáng chuyển lên trạng thái kích thích (S*), S* truyền electron cho vùng dẫn (conduction band) của TiO2, chuyển tiếp vào điện cực thủy tinh và theo dây dẫn qua cathode. S* bị mất electron trở thành S+. S+ phản ứng với I- tạo S ban đầu và I3- (triiodide). Tại catode, electron pư với triiodide trở thành I- ban đầu (lớp platin mỏng xúc tác cho quá trình này nhanh hơn).
Chu trình cứ tiếp tục như vậy và liên tục tạo dòng điện qua dây dẫn.
Để tìm loại dye có thể hấp thu vùng phổ ánh sáng mặt trời rộng (ánh sáng mặt trời là tập hợp các bức xạ có bước sóng từ 390-780 nm), hàng ngàn loại dye đã được tổng hợp. Họ dye hấp thu ánh sáng mặt trời tốt nhất hiện nay trên cơ sở phức ruthenium.
Một vấn đề là trong quá trình hoạt động của dye-sensitized solar cell, dưới tác dụng của ánh sáng, TiO2 xúc tác cho quá trình phân hủy dye làm giảm tuổi thọ cell. Đây là một vấn đề nan giải đang được nghiên cứu hiện nay.
Tuyệt lắm aqhl, rất cám ơn ông đã đầu tư nhiều vào bài viết rất hay này. Những bài như thế này sẽ làm forum thêm chất lượng nhiều hơn. Các bạn sv cố gắng kêu gọi nhiều bạn bè vào thảo luận nhé.
Hồi này tui cũng tìm sơ sơ một chút về solar cell thì thấy có bài báo này
The effect of pre-thermal treatment of TiO2 nano-particles on the performances of dye-sensitized solar cells
The-Vinh Nguyen, Hyun-Cheol Lee and O-Bong Yang,
School of Environmental and Chemical Engineering, Chonbuk National University, Jeonju, Jeonbuk 561-756, Republic of Korea
Thấy có người VN đã làm về cái này, không biết ông shampa có quen biết không nữa, nếu được, mời người này vào thảo luận sẽ thú vị lắm đó.
P/S:chán quá, hồi này gõ quá trời nhưng không hiểu sao trang này cứ bị out hoài.
Vấn đề này cực kì phức tạp. Trước hết mình thử tìm hiểu về photosensitization of electrode. Tại sao dye hấp thụ ánh sáng mặt trời thì lại xuất hiện electron và electron này lại có thể nhảy vào conduction band được? Vì bình thường dye liên kết với TiO2 thông qua ester bond, thì chỉ xen phủ vùng valence band thôi chứ?
Gửi các bạn rất nhiều tài liệu liên quan đến mảng này, mọi người có thêm công cụ để tiếp tục thảo luận về vấn đề này
Mình post link bằng usendit và mega, tha hồ mà down về nhé
Merci nguyencyberchem nhiều. Integchimie đang cần những bài báo này để hiểu nhiều hơn về DSSC. DSSC ở trường mình chắc làm chưa nổi, nhưng mà photocatalyst trên TiO2 thì có khả năng làm đươc.
Khi dye hấp thu photon, e di chuyển từ vân đạo d của Ru lên pi* của ligand. Do mức thế của pi* âm hơn mức thế conducting band của TiO2, nên e có khuynh hướng chuyển qua conducting band.
Để chuyển qua conducting band, e di chuyển trên ester bond. Giữa dye và conducting band có sự tương tác vân đạo giữa pi* của dye và 3d (t2) conducting band của TiO2.
Phần này khan hiếm tài liệu quá, có gì anh em bổ sung thêm nhé.
Như ta thấy, khi dye hấp phụ photon, e chuyển lên trạng thái kích thích, inject vào conduction band. (dye chuyển từ S* thành S+). Vậy e có chuyển ngược lại từ conduction band vào S+ không? Từ conduction band, e theo dây dẫn qua cathode. Dye (S+) bị I- khử, trở về S. I- thành I3-. I3- nhận e ở cathode trở về I-. Vậy tại sao I3- không nhận e ở conduction band trở về I- cho dễ? Các câu hỏi trên sẽ được trả lời khi ta xem xét tốc độ chuyển e trong từng quá trình.
Tốc độ inject e từ S+ vào conduction band rất nhanh, vài chục femto giây. Tốc độ e từ conduction band qua S+ và I3- chậm hơn nhiều. Từ CB qua S+ khoảng micro đến mili giây. Từ CB qua I3- khoảng chậm hơn nữa (từ 0.1 đến 1 giây). Còn tốc độ e từ I- vào S+ thì nhanh, khoảng vài chục nano giây.
Mình đang build DSSC, làm được vài cái rồi. Hiệu suất chuyển hóa thấp hơn bên Sweden một tí. Mình thấy làm không khó lắm, ở khoa Hóa mình hoàn toàn có thể làm được. Dụng cụ và hóa chất thì rất đơn giản. Cái mình đang tìm cách khắc phục là khi tạo thin film TiO2 lên bề mặt conducting glass bằng doctor blading thì nó bám dính không tốt lắm (vì mình sài TiO2 thương mại P25 Degussa), và khi tạo thin film xong, nung lên 450 oC, mình chụp SEM thấy có crack. Điều này làm cho electron transport không được tốt. Thứ 2 là khi ép 2 điện cực lại và seal các hole (để inject electrolyte solution vào) thì hơi khó. Vì muốn ép hay seal hole thì cần nhiệt độ hơi cao (khoảng hơn 100 oC) có thể làm dye phân hủy hoặc organic solvent bay hơi. Và thứ 3 là khi seal hole thì cần dùng bơm chân không, rất dễ làm cho electrolyte solution bị hút ra ngoài trước khi hole kịp seal. Nhưng nhìn chung là làm không khó lắm.
năm ngoại mình cũng mệt với cái crack này, nhưng chủ yếu trên substrat thép 316L thôi, còn trên glass thì ok. Mình tạo thin film bằng dip-coating, cũng nung ở t° 400-550°. Khi điều chế, mình dùng template acac, PEG… thì sẽ giảm crack nhiều (không còn trên glass, nhưng vẫn còn trên steel). Với lại mình khuyên aqhl là để kiểm tra thin film của mình, trước khi chụp SEM, bạn có thể dùng kính hiển vi quang học để xem sơ bộ coi thin film có crack không, như vậy nhanh và đơn giản hơn.
Thay hệ xúc tác Pt-TiO2 bằng Pt/TiO2-TiO2 với sự hiện diện của Fe3+ làm electron acceptor bên điện cực anode và Br- với vai trò electron donor bên điện cực cathode, giúp tăng hiệu quả trong splitting water.
Bây giờ BM mới có dịp tìm hiểu sâu hơn về mảng này, nhưng vẫn là newbie thui !!! mong anh aqhl và nguyencyberchem giúp đỡ phát nhé !!!
+Đầu tiên, cho BM hỏi, khỏang bước sóng của năng lượng bên ngòai mà cơ thể người cũng như trái đất hấp thụ được là bao nhiêu !? vì theo như anh Nguyên nói:
Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời, nhưng bên cạnh đó, năng lượng này cũng bị mất đi dưới dạng bức xạ. Và thực tế mặt trời bức xạ cũng như cơ thể chúng ta vậy. Tất cả vật chất có nhiệt độ cao hơn -273K đều phát bức xạ. Trong trường hợp của trái đất và cơ thể người thì bức xạ ấy là bức xạ hồng ngoại.
Mấy anh giải thích thêm cho em cái khỏan bức xạ này với !!! theo em hiểu, cơ thể người cũng như trái đất sẽ có khả năng hấp thụ được một năng lượng (ở bất cứ dạng nào) trong giới hạn bước sóng nào đó ! nếu ngòai khỏang bước sóng đó, cơ thế sẽ phản hấp thụ, năng lượng bức xạ !
Tiếp theo, anh Nguyên cũng có nói, năng lượng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng điện nhờ rất nhiều vào vật liệu silic, vậy em hỏi, silic có phối trộn thêm nhiều chất khác không hay nguyên chất ! đặc thù của silic thế nào mà nó đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa !
Vì theo em thấy, nếu cơ chế chỉ là photon bị hấp thụ, rồi electron từ vùng valence lên vùng conduction, thì thằng TiO2 có vẻ tốt hơn chứ, vì TiO2 theo như những bài mấy anh viết thì nó là thành phần nòng cốt cho quang xúc tác, cơ chế hấp thụ photon để đưa electron lên orbital kích thích là dễ dàng ! vật liệu TiO2 có phối trộn vào vật liệu Silic có phối trộn thì như thế nào nhỉ, so sánh về mặt họat tính và giá thành !!!
+Tới vấn đề water photo – splitting:
Tại sao dạng TiO2 dùng trong điện cực ko phải là anatase, vì theo em biết dạng anatase có họat tính cao hơn dạng rutile mừ !
Khi photon bị điện cực n-type TiO2 hấp thụ, sẽ sinh ra electron, electron này theo dây dẫn qua cực platin và chụp thằng H+, quá trình này dễ hiểu !
Nhưng quá trình các lỗ trống positive kết hợp với H2O để sinh ra O2 và H+ thì em trầm cảm luôn !!! Nhưng nếu căn cứ vào các quá trình, em đánh giá giai đọan này chính là giai đọan là hiệu suất tách nước nhỏ (<1%) ! Không biết đúng ko nhỉ !!! aqhl có thể giúp em cơ chế của giai đọan này ko !!!
+Đến lượt Dye – sensitized solar cell:
Vai trò của hai miếng thủy tinh hai đầu là gì !? phải chăng nó chỉ là thành phần đệm để quét lớp oxide dẫn điện lên thui !!!
Aqhl đã tìm hiểu đặc điểm cấu tạo như thế nào của dye – sensitized để có thể hấp thu bứơc sóng 390 – 780 nm chưa ? đặc điểm của Ru là gì mà có thế hấp thu solar energy tốt như vậy !?
Để chuyển qua conducting band, e di chuyển trên ester bond. Giữa dye và conducting band có sự tương tác vân đạo giữa pi* của dye và 3d (t2) conducting band của TiO2.
BM chẳng thấy thằng pi* nằm ở mô cả ! cái đó là pi mừ !!! Hình như aqhl trích nguồn hình wrong thì phải ! Nhưng hổng sao, nhìn hình và đọc bài thì thấy cũng hơi hiểu hiểu ! giải quyết được thắc mắc của integchemie, nhưng ko biết còn vấn đề nào uẩn khúc bên trong ko nhỉ !!! Chứ nếu vậy, thì electron từ ester bonding sẽ chuyển dễ dàng qua conducting band mà ko cần phải so sánh thế !!!
Aqhl giải quyết giùm BM nhé !
Cái này là nói về solar cell trên cơ sở silicon. Solar cell silicon đã thương mại hóa từ lâu rồi (thập niên 50), hiện nay sản phẩm silicon thương mại chiếm hơn 90% trên thị trường. Solar cell loại này có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động khác dye solar cell, và sử dụng silicon có độ tinh khiết rất cao (99.99%), nên giá thành cao. Nếu có tạp chất, sẽ hình thành khuyết tật mạng tinh thể, đây chính là nơi giúp kết hợp e và hole. Các loại bán dẫn khác cũng được sử dụng như CdS, CdTe, GaAs, silicon vô định hình, doped silicon…
Dye solar cell thì hoạt động theo cơ chế khác, phải cần dye hấp thu solar energy. Nếu dùng TiO2 không thì khả năng rất kém hơn so với silicon. Thường thì ta dope Silicon hoặc dope TiO2 để mở rộng vùng phổ ánh sáng có thể hấp thu.
Tới vấn đề water photo – splitting:
Tại sao dạng TiO2 dùng trong điện cực ko phải là anatase, vì theo em biết dạng anatase có họat tính cao hơn dạng rutile mừ !
Bài này mình viết khi tham khảo bài báo năm 1972 trên Nature. Lúc đó thì các kỹ thuật tổng hợp TiO2 anatase chưa phát triển như hiện nay
Nhưng quá trình các lỗ trống positive kết hợp với H2O để sinh ra O2 và H+ thì em trầm cảm luôn !!! Nhưng nếu căn cứ vào các quá trình, em đánh giá giai đọan này chính là giai đọan là hiệu suất tách nước nhỏ (<1%) ! Không biết đúng ko nhỉ !!! aqhl có thể giúp em cơ chế của giai đọan này ko
Hole hình thành di chuyển đến bề mặt điện cực, tại đây nó bắt e của các phân tử tiếp xúc với bề mặt và biến mất. Phân tử còn lại hình thành radical cation. Với nước thì mình nghĩ như vầy: radical cation H2O(+.) -> H+ và OH. ; 2OH. -> H2O2 -> O2 + H2O. Các quá trình chắc chắn là xảy ra đồng thời, khó mà xác định từng quá trình riêng rẽ.
Hiệu suất tách nước phụ thuộc vào cả quá trình tách e-hole khi ánh sáng chiếu vào và quá trình kết hợp e-hole khi chúng chưa đến bề mặt.
Đến lượt Dye – sensitized solar cell:
Vai trò của hai miếng thủy tinh hai đầu là gì !? phải chăng nó chỉ là thành phần đệm để quét lớp oxide dẫn điện lên thui !!!
Aqhl đã tìm hiểu đặc điểm cấu tạo như thế nào của dye – sensitized để có thể hấp thu bứơc sóng 390 – 780 nm chưa ? đặc điểm của Ru là gì mà có thế hấp thu solar energy tốt như vậy
2 miếng thủy tinh dẫn điện và bao bọc các phần bên trong. Không thể dùng các vật liệu dẫn điện khác, vì cần tính trong suốt cho ánh sáng chiếu vào dye. Trong chi phí tổng cộng chế tạo dye solar cell, thì thủy tinh dẫn điện chiếm chi phí cao nhất (>40%). Gần đây có sản phẩm thương mại polymer dẫn điện trong suốt, giá thành rẽ hơn thủy tinh nhiều. Tuy nhiên điện trở còn cao hơn thủy tinh 1 chút và đương nhiên là ko thể bền hơn thủy tinh.
Dye trên cơ sở Ru là tốt nhất hiện nay cho dye solar cell. Không hẳn là do nó hấp thu hết vùng khả kiến, thực ra nó chỉ hấp thu một vùng và hấp thu cực đại trong khoảng nào thôi (tùy thuộc vào ligand). Còn nhiều yếu tố khác làm cho hiệu suất chuyển hóa cao như kết hợp tốt với TiO2, dễ khử trở về dạng ban đầu bởi mediator, tốc độ back transfer electron nhỏ, bền…
BM chẳng thấy thằng pi* nằm ở mô cả ! cái đó là pi mừ !!! Hình như aqhl trích nguồn hình wrong thì phải ! Nhưng hổng sao, nhìn hình và đọc bài thì thấy cũng hơi hiểu hiểu ! giải quyết được thắc mắc của integchemie, nhưng ko biết còn vấn đề nào uẩn khúc bên trong ko nhỉ !!! Chứ nếu vậy, thì electron từ ester bonding sẽ chuyển dễ dàng qua conducting band mà ko cần phải so sánh thế !!!
Aqhl giải quyết giùm BM nhé !
Cái hình đúng là ko phải tương tác d-pi*, hồi đó mình chỉ muốn minh họa cho câu hỏi của interchemie thôi. Nếu muốn thì thành lập giản đồ tương tác vân đạo 3d-pi của ligand. haha…đây là nghề của BM mà… :nhau (
Các bạn xem thêm hình ảnh dye solar cell thực, lúc trước mình làm:
vậy thằng TiO2 có hoạt tính hấp thụ ánh sáng yếu hơn silicon hả thầy ! Tại sao trong xúc tác quang hóa người ta thường dùng TiO2 hơn !?
Hole hình thành di chuyển đến bề mặt điện cực, tại đây nó bắt e của các phân tử tiếp xúc với bề mặt và biến mất. Phân tử còn lại hình thành radical cation. Với nước thì mình nghĩ như vầy: radical cation H2O(+.) -> H+ và OH. ; 2OH. -> H2O2 -> O2 + H2O. Các quá trình chắc chắn là xảy ra đồng thời, khó mà xác định từng quá trình riêng rẽ.
hix, hổng hiểu, thầy nói chậm lại !!! thằng H2O bị hấp phụ vào hole, vậy là coi như lúc này H2O trở thành cation, sau đó làm thế nào tạo ra radical cation !
Hiệu suất tách nước phụ thuộc vào cả quá trình tách e-hole khi ánh sáng chiếu vào và quá trình kết hợp e-hole khi chúng chưa đến bề mặt.
hix, vậy ra giai đoạn hấp thụ ánh sáng mới là giai đoạn khó khăn, vì em thấy cơ chế để dye hấp thụ photon làm electron chuyển sang excited state cũng khá dễ (hiện tượng này thường thấy khi dùng các vật liệu trong quang xúc tác cũng như các phản ứng quang hóa), sau đó bị lôi xuống conductive band là thuận lợi về mặt nhiệt động lẫn động học !
Em vẫn chưa hiểu lắm cái yếu tố chi phối hiệu suất này, thầy explain more clearly cho em với !!! Về thế điện hóa hay về mặt nhiệt động… cái nào làm cho quá trình này khó khăn !
thảo luận tiếp nha thầy !!! rùi còn qua fuel cell ! hahaha !
:hocbong (
PS: à, thầy còn giữ bài review nào về mảng này ko ạ !!! em tính hốt một topic điện hóa ứng dụng về mảng này !!! hehehe! cảm ơn thầy nhiều trước !!! :mohoi (