Bên cạnh phương pháp biến đổi quang năng thành điện năng sử dụng pin mặt trời thì quang điện hóa phân tách nước là giải pháp tiềm năng khác để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học tích trữ trong các phân tử Hidro. Việc chuyển đổi này có thể thực hiện bằng pin quang điện hóa (photoelectrochemical cells) có cấu tạo từ các điện cực làm bằng chất bán dẫn. Trong số các chất bán dẫn dùng để làm anode của pin thì BiVO₄ là một vật liệu tiềm năng lớn.

Trong nghiên cứu mới của GS. Kyoung-Shin Choi (Khoa Hóa học, Đại học Wisconsin-Madison, Mỹ) và cộng sự đã chỉ ra sự ảnh hưởng của thành phần bề mặt (tỉ lệ giữa Bismuth - Bi và Vanadi - V) tới các tính chất năng lượng và quang điện hóa của vật liệu BiVO₄. Cụ thể, họ nghiên cứu cả về thực nghiệm và tính toán lý thuyết trên điện cực BiVO₄ định hướng mặt tinh thể (010) (được chế tạo bằng epitaxy). Vi hình thái của 2 loại điện cực BiVO₄ với bề mặt giàu V và BiVO₄ với bề mặt giàu Bi được quan sát bằng ảnh hiển vi xuyên hầm quét (scanning tunnelling microscopy – STM) và được mô phỏng lý thuyết bằng phiến hàm mật độ (density functional theory – DFT) (Hình 1).

Hình 1. Ảnh STM và tính mô phỏng bề mặt BiVO₄ giàu V và BiVO₄ giàu Bi

Nhóm nghiên cứu sử dụng DFT với số hạng Hubbard U (DFT+U) để tính toán cấu trúc điện tử và so sánh vị trí vùng năng lượng của BiVO₄ trong trường hợp giàu V và giàu Bi (Hình 2).

Hình 2. Cấu trúc vùng năng lượng BiVO₄ dùng DFT+U

Sự khác biệt về năng lượng bề mặt đã giải thích cho sự thay đổi về hoạt tính quang điện hóa. Trong quá trình hoạt động xúc tác, tỉ lệ giữa Bi và V bị thay đổi do đó hoạt tính cũng bị biến đổi (Hình 3).

Hình 3. Hoạt tính quang điện hóa của điện cực BiVO₄ giàu V và BiVO₄ giàu Bi

Kết quả về thực nghiệm và tính toán lý thuyết cho thấy bề mặt BiVO₄ giàu Bi có năng lượng bề mặt thích hợp hơn cho phân tách nước do vậy hoạt tính xúc tác cao hơn so với BiVO₄ bề mặt giàu V.

Nghiên cứu này đã được GS. Kyoung-Shin Choi và cộng sự đăng trên tạp chí Nature Energy tháng 2 năm 2021.

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00777-x

Lê Văn Hoàng