แอพพลิเคชั่นใหม่ของไทเทเนียมไดออกไซด์ในสาขาพลังงานคืออะไร?

แอพพลิเคชั่นใหม่ของไทเทเนียมไดออกไซด์ในสาขาพลังงานคืออะไร?

การแนะนำ

ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TIO₂) ได้รับการยอมรับมานานแล้วสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่เม็ดสีในสีและการเคลือบไปจนถึงโฟโตแคตาลีสสำหรับการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีความสนใจเพิ่มขึ้นในการสำรวจแอพพลิเคชั่นใหม่ที่มีศักยภาพในด้านพลังงาน นี่เป็นเพราะคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งทำให้เป็นผู้สมัครที่มีแนวโน้มสำหรับเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานต่างๆ Tio₂เป็นผงสีขาวไม่มีกลิ่นและผลึกซึ่งมีความเสถียรสูงและเฉื่อยทางเคมีภายใต้สภาวะปกติและมีดัชนีการหักเหของแสงสูง คุณสมบัติเหล่านี้พร้อมกับความอุดมสมบูรณ์และต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำได้กระตุ้นให้นักวิจัยตรวจสอบว่ามันสามารถนำไปสู่การพัฒนาโซลูชั่นพลังงานที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้นได้อย่างไร

คุณสมบัติของไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงาน

หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของTio₂ที่เกี่ยวข้องกับแอปพลิเคชันพลังงานคือ bandgap bandgap ของtio₂มักจะอยู่ที่ประมาณ 3.0 - 3.2 eV สำหรับขั้นตอน anatase และ rutile ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกที่พบมากที่สุด ซึ่งหมายความว่ามันสามารถดูดซับแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าประมาณ 400 นาโนเมตร เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะดูดซับอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ของTio₂สามารถตื่นเต้นกับแถบการนำไฟฟ้าสร้างคู่อิเล็กตรอนรู กระบวนการนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับพลังงานหลายอย่างเช่นโฟโตแคตไลซิสและเซลล์แสงอาทิตย์ ตัวอย่างเช่นใน photocatalysis คู่อิเล็กตรอนหลุมเหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนบนพื้นผิวของ TIO เพื่อสร้างสายพันธุ์ออกซิเจนปฏิกิริยา (ROS) เช่นไฮดรอกซิลอนุมูลอิสระ (• OH) ซึ่งสามารถใช้เพื่อสลายมลพิษอินทรีย์หรือน้ำ

คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือพื้นที่ผิวที่สูงต่ออัตราส่วนปริมาตร tio₂โครงสร้างนาโนเช่นอนุภาคนาโน, ท่อนาโนและนาโนสามารถมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่มาก สิ่งนี้ช่วยให้ไซต์ที่ใช้งานอยู่จำนวนมากขึ้นเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่นในเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม (DSSC) พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ของอนุภาคนาโนtio₂ที่เคลือบด้วยสีย้อมสามารถดูดซับโมเลกุลสีย้อมจำนวนมากซึ่งสามารถดูดซับช่วงกว้างของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ การดูดซับแสงที่เพิ่มขึ้นนี้นำไปสู่ประสิทธิภาพการแปลงที่ดีขึ้นของพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า

แอพพลิเคชั่นโซลาร์เซลล์

ในขอบเขตของเซลล์แสงอาทิตย์Tio₂ได้รับการสำรวจในรูปแบบที่แตกต่างกัน หนึ่งในแอพพลิเคชั่นที่โดดเด่นคือในเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม (DSSCs) ใน DSSC มักใช้อนุภาคนาโนTio₂เป็นอิเล็กโทรดเซมิคอนดักเตอร์ โมเลกุลสีย้อมจะถูกดูดซับลงบนพื้นผิวของอนุภาคนาโนtio₂ เมื่อแสงแดดกระทบเซลล์โมเลกุลสีย้อมจะดูดซับโฟตอนและถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่ตื่นเต้นไปยังแถบการนำไฟฟ้าของTio₂ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะไหลผ่านวงจรภายนอกสร้างกระแสไฟฟ้า การวิจัยแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของ DSSCs ที่ใช้ TIO สามารถเข้าถึงได้ถึงประมาณ 11 - 12% ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นเซลล์Grätzelซึ่งเป็นประเภทของ DSSC ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่มีแนวโน้มด้วยขั้วไฟฟ้าที่ใช้ TIO อย่างไรก็ตามยังคงมีความท้าทายที่จะเอาชนะเช่นการปรับปรุงเสถียรภาพระยะยาวของเซลล์และเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับแสงโดยการปรับสีย้อมและการรวมกันของ TIO

Tio₂ได้รับการตรวจสอบเพื่อใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite ในเซลล์เหล่านี้Tio₂สามารถใช้เป็นชั้นการขนส่งอิเล็กตรอน ช่วยในการขนส่งอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพในชั้น perovskite ไปยังวงจรภายนอก การศึกษาได้ชี้ให้เห็นว่าการใช้TIO₂ในเซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite อย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมและความเสถียรของเซลล์ ตัวอย่างเช่นโดยการควบคุมความหนาและคุณภาพของเลเยอร์Tio₂อย่างระมัดระวังนักวิจัยสามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่สูงขึ้น ในบางกรณีการเพิ่มเลเยอร์Tio₂ได้เพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite โดยหลายเปอร์เซ็นต์

แอพพลิเคชั่นโฟโตคะตาไลติก

Photocatalysis โดยใช้Tio₂เป็นพื้นที่ที่มีการศึกษาเป็นอย่างดีที่มีการใช้งานที่มีศักยภาพมากมายในสาขาพลังงาน หนึ่งในแอปพลิเคชันหลักคือการแยกน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน เมื่อTiO₂ได้รับการฉายรังสีด้วยแสง UV ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้คู่อิเล็กตรอนหลุมจะถูกสร้างขึ้น คู่อิเล็กตรอนรูเหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำบนพื้นผิวของTio₂เพื่อผลิตไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ค่อนข้างต่ำเนื่องจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นการรวมตัวกันของคู่อิเล็กตรอนหลุมก่อนที่พวกเขาจะสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการแยกน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยกำลังทำงานเกี่ยวกับกลยุทธ์เพื่อเอาชนะปัญหานี้เช่นยาสลบTio₂ด้วยองค์ประกอบอื่น ๆ เพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และลดการรวมตัวกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอน

อีกหนึ่งแอปพลิเคชั่นโฟโตคะตาไลติกที่สำคัญคือการเสื่อมสภาพของสารมลพิษอินทรีย์ในน้ำหรืออากาศ Tio₂สามารถใช้เพื่อแยกสารอินทรีย์ออกเป็นโมเลกุลขนาดเล็กและเป็นอันตรายน้อยกว่า ตัวอย่างเช่นในโรงบำบัดน้ำเสียจะมีการทดสอบ photocatalyst-based photocatalyst เพื่อกำจัดมลพิษเช่นสีย้อมสารกำจัดศัตรูพืชและยา ในการศึกษาครั้งหนึ่งพบว่า photocatalyst tio₂สามารถลดลงกว่า 80% ของมลพิษสีย้อมโดยเฉพาะภายในไม่กี่ชั่วโมงหลังจากการฉายรังสีด้วยแสง UV สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของtio₂ photocatalysis สำหรับการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมและการอนุรักษ์พลังงานเนื่องจากสามารถลดความจำเป็นในการรักษาแบบดั้งเดิมที่ใช้พลังงานมาก

แอพพลิเคชั่นการจัดเก็บพลังงาน

Tio₂ยังแสดงให้เห็นถึงสัญญาในด้านการจัดเก็บพลังงาน ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถใช้Tio₂เป็นวัสดุขั้วบวก เมื่อเปรียบเทียบกับขั้วบวกกราไฟท์แบบดั้งเดิมTio₂มีข้อได้เปรียบบางประการ มันมีความสามารถทางทฤษฎีที่สูงขึ้นสำหรับการจัดเก็บลิเธียมซึ่งหมายความว่ามันอาจจะสามารถเก็บลิเธียมไอออนได้มากขึ้น นอกจากนี้Tio₂มีความเสถียรมากขึ้นในระหว่างรอบการชาร์จและการปลดปล่อยลดความเสี่ยงของการหลบหนีความร้อนและปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามยังมีความท้าทายในการใช้Tio₂เป็นวัสดุขั้วบวก การนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับกราไฟท์จำเป็นต้องใช้สารเติมแต่งนำไฟฟ้าหรือเทคนิคการสร้างโครงสร้างนาโนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุ ในการวิจัยบางอย่างTio₂โครงสร้างนาโนเช่นTio₂นาโนทิวบ์ได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีการปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าสำหรับแอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ใน supercapacitors Tio₂ยังสามารถมีบทบาทได้ Supercapacitors เป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่สามารถให้ประจุและการปล่อยอย่างรวดเร็ว Tio₂สามารถใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดหรือเป็นส่วนประกอบในคอมโพสิตอิเล็กโทรด พื้นที่ผิวที่สูงและคุณสมบัติทางเคมีที่มั่นคงทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน supercapacitor ตัวอย่างเช่นเมื่ออนุภาคนาโนTio₂รวมอยู่ในอิเล็กโทรด supercapacitor พวกเขาสามารถเพิ่มความจุของอุปกรณ์ได้โดยการจัดหาไซต์ที่ใช้งานมากขึ้นสำหรับการจัดเก็บประจุ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการใช้TIO₂ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์อย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นพลังงานของอุปกรณ์ทำให้พวกเขาสามารถแข่งขันได้มากขึ้นในตลาดการจัดเก็บพลังงาน

ความท้าทายและข้อ จำกัด

แม้จะมีการใช้งานที่มีศักยภาพมากมายของTio₂ในด้านพลังงาน แต่ก็มีความท้าทายและข้อ จำกัด หลายประการที่ต้องได้รับการแก้ไข หนึ่งในความท้าทายหลักคือช่วงการดูดซับที่ค่อนข้างแคบในสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้Tio₂ส่วนใหญ่ดูดซับแสง UV ในขณะที่ส่วนสำคัญของพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ในภูมิภาคที่มองเห็นได้และอินฟราเรด สิ่งนี้ จำกัด ประสิทธิภาพในแอปพลิเคชันการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรงเช่นโซลาร์เซลล์ เพื่อเอาชนะสิ่งนี้นักวิจัยกำลังสำรวจวิธีการเช่นยาสลบTio₂ด้วยองค์ประกอบอื่น ๆ เพื่อเปลี่ยนแถบการดูดซับไปยังช่วงที่มองเห็นได้หรือรวมเข้ากับวัสดุอื่น ๆ ที่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการรวมตัวกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอนรูในการใช้โฟโตคะตาไลติกและเซลล์แสงอาทิตย์ ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้เมื่อมีการสร้างคู่ของหลุมอิเล็กตรอนพวกเขามักจะรวมตัวกันใหม่ก่อนที่พวกเขาจะสามารถใช้อย่างเต็มที่สำหรับปฏิกิริยาหรือการผลิตไฟฟ้า สิ่งนี้จะช่วยลดประสิทธิภาพของกระบวนการ กลยุทธ์ต่าง ๆ เช่นการเติมการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและโครงสร้างนาโนกำลังถูกนำมาใช้เพื่อลดการรวมตัวกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอนหลุม แต่จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

ในแง่ของการใช้งานการจัดเก็บพลังงานการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำของTio₂เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ ดังที่ได้กล่าวไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและตัวอย่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์การปรับปรุงการนำไฟฟ้าของTio₂เป็นสิ่งสำคัญเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น สิ่งนี้ต้องการการใช้สารเติมแต่งนำไฟฟ้าหรือเทคนิคการสร้างโครงสร้างนาโนขั้นสูงซึ่งสามารถเพิ่มความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายให้กับกระบวนการผลิต

ทิศทางในอนาคตและโอกาสในการวิจัย

มีทิศทางในอนาคตที่น่าตื่นเต้นมากมายและโอกาสในการวิจัยสำหรับTio₂ในด้านพลังงาน พื้นที่หนึ่งของการโฟกัสสามารถปรับปรุงการดูดซับแสงที่มองเห็นได้ของTio₂ต่อไป ด้วยการพัฒนาเทคนิคการเติมใหม่หรือวัสดุคอมโพสิตที่สามารถเพิ่มการดูดซึมในช่วงที่มองเห็นได้ประสิทธิภาพของการใช้เซลล์แสงอาทิตย์และโฟโตคะตาไลติกสามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่นการรวมTio₂กับวัสดุพลาสโมนิกที่สามารถเพิ่มการดูดซึมแสงผ่านการสั่นพ้องของพื้นผิวพลาสโมนอาจเป็นวิธีที่มีแนวโน้ม

โอกาสการวิจัยอีกประการหนึ่งคือการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างนาโนของTio₂สำหรับการใช้พลังงานที่แตกต่างกัน ด้วยการควบคุมขนาดรูปร่างและการจัดเรียงของโครงสร้างนาโนTio₂อย่างแม่นยำเป็นไปได้ที่จะเพิ่มคุณสมบัติของพวกเขาเช่นพื้นที่ผิวการสร้างคู่อิเล็กตรอนรูและประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุ ตัวอย่างเช่นการผลิตท่อนาโนTio₂ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวเฉพาะสามารถปรับประสิทธิภาพให้เหมาะสมในแอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือขั้วไฟฟ้าซูเปอร์คาปาซิเตอร์

นอกจากนี้การสำรวจศักยภาพของTio₂ในเทคโนโลยีพลังงานที่เกิดขึ้นใหม่เช่นเซลล์เชื้อเพลิงและอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเปิดช่องทางใหม่สำหรับการใช้งาน ตัวอย่างเช่นในเซลล์เชื้อเพลิงTio₂อาจใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหรือวัสดุอิเล็กโทรด ในอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกคุณสมบัติความร้อนและไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ของมันสามารถถูกนำไปใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า โดยรวมแล้วการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับTio₂ในสาขาพลังงานมีแนวโน้มที่จะให้ข้อมูลเชิงลึกและการใช้งานที่มีค่ามากมายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

บทสรุป

โดยสรุปไทเทเนียมไดออกไซด์ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานใหม่ในด้านพลังงาน คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของมันเช่น bandgap พื้นที่ผิวสูงและความเสถียรทางเคมีทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานต่าง ๆ รวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์โฟโตแคตไลซิสและการจัดเก็บพลังงาน อย่างไรก็ตามยังมีความท้าทายและข้อ จำกัด ที่ต้องเอาชนะเช่นช่วงการดูดซับแคบการรวมตัวกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอนและการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ ผ่านการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องโดยมุ่งเน้นไปที่พื้นที่ต่าง ๆ เช่นการปรับปรุงการดูดซับแสงที่มองเห็นได้การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างนาโนและการสำรวจแอพพลิเคชั่นใหม่ในเทคโนโลยีพลังงานที่เกิดขึ้นใหม่คาดว่าไทเทเนียมไดออกไซด์จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการแก้ปัญหาพลังงานที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืน