Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang khử CO2 của Cu2O/ZnO
Sự gia tăng lượng khí thải carbon dioxide do các hoạt động kinh tế gây ra là một trong những thách thức lớn trên toàn thế giới. Đã có nhiều giải pháp tích cực được đưa ra, trong số đó, khử CO2 thành nhiên liệu có chứa carbon, chẳng hạn như carbon monoxide hoặc methane, bằng năng lượng mặt trời tái tạo là một trong những công nghệ thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
Công nghệ quang khử CO2 sử dụng các chất xúc tác quang trong phản ứng quang xúc tác. Trong số các chất xúc tác quang, oxide bán dẫn kẽm (ZnO) là một trong những ứng viên được nghiên cứu phổ biến do có hoạt tính xúc tác quang tương đối cao, dễ dàng chế tạo, không độc hại và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, điểm hạn chế lớn nhất của vật liệu này là tốc độ tái kết hợp điện tử-lỗ trống quang sinh xảy ra nhanh. Vì vậy, ái lực giữa bề mặt CO2 và ZnO thấp và độ hấp thụ ánh sáng không đủ dẫn đến hiệu suất quang khử CO2 của ZnO tinh khiết không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Để vượt qua những trở ngại này, các cấu trúc nano một 74 chiều (1D), chẳng hạn như ống nano (NT), thanh nano (NR) và dây nano (NW) có triển vọng lớn làm chất quang xúc tác do tính dị hướng vốn có của chúng và sự vận chuyển điện tử hiệu quả khi ở kích thước một chiều. Ngoài biến đổi cấu trúc hay biến tính bề mặt, ZnO còn có thể được kết hợp với các oxid khác, trong đó có Cu2O, để tăng cường hoạt tính quang xúc tác. Cu2O là vật liệu có khả năng hấp thụ tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Nhiều công bố đã chứng tỏ rằng các cấu trúc p-n kết hợp từ hai oxid này rất thuận lợi cho việc tách điện tích, từ đó cải thiện hoạt tính quang xúc tác để khử CO2.
Hình minh họa (Internet)
Trong công trình này, chúng tôi đã tổng hợp thành công hệ vật liệu nano dây Cu2O/ZnO, điều chỉnh tỷ lệ mol giữa Cu2O và ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt và hóa học ướt. Đáng chú ý, các cụm nano Cu2O có hình vuông với kích thước khoảng 100-200 nm, bám dính vào các dây nano ZnO. Hệ thống composite Cu2O/ZnO, như một chất xúc tác quang, chuyển đổi CO2 thành khí CH4 trong môi trường nước. Hiệu suất chuyển đổi cao nhất, ở mức 28,44 µmol. .h-1, đạt được bởi mẫu Cu2O/ZnO có nồng độ Cu2O cao nhất, vượt trội hơn ZnO tinh khiết (4,66 µmol. .h-1) gấp sáu lần. Hoạt tính xúc tác tăng cường được cho là do sự mở rộng phạm vi hấp thụ vào vùng ánh sáng khả kiến và tương tác hiệp đồng giữa ZnO và Cu2O tại giao diện. Hơn nữa, hình thái bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hoạt động quang khử CO2 của hệ Cu2O/ZnO.
Tập. 29 Số. 4 (2023): TẠP CHÍ PHÂN TÍCH HÓA, LÝ VÀ SINH HỌC