Phản ứng tiến hóa hydro với ánh sáng mặt trời cho giáo dục hóa học ở trường

Phản ứng tiến hóa hydro với ánh sáng mặt trời cho giáo dục
hóa học ở trường
Trong nghiên cứu hiện tại, các đơn vị xúc tác điều khiển bằng ánh sáng phân tử
được liên kết với các ma trận vật chất mềm có cấu trúc phân cấp và được sử dụng
để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành phản ứng hóa học để tách nước xúc tác
quang. Bài viết này mô tả sự phát triển của một phản ứng tạo ra hydro đơn giản
hóa để chuyển các kết quả được chọn đến phịng thí nghiệm của sinh viên theo
cách định hướng hiện tượng. Với mục đích này, một hệ thống hoạt động quang xúc
tác - bao gồm chất xúc tác titan dioxit, thuốc nhuộm Eosin Y và triethanolamine
cho điện tử - được kết hợp với hai polyme làm chất nền phù hợp. Một máy dị
hydro chi phí thấp mới được phát triển được sử dụng để định lượng nồng độ hydro.
1. Giới thiệu
Các phản ứng hóa học với ánh sáng (mặt trời) tạo thành cơ sở của nhiều quá trình
trong sinh quyển. Họ cũng tìm thấy các ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng
ngày, khoa học và công nghệ, từ bộ thu năng lượng mặt trời đến xử lý nước thải
xúc tác quang đến sơn tường làm sạch khơng khí1 và hơn thế nữa. Do mối liên hệ
chặt chẽ của chúng với cuộc sống hàng ngày, tầm quan trọng to lớn của chúng
trong hiện tại và tương lai, cũng như khả năng xem xét và bối cảnh liên ngành,
chúng mang lại tiềm năng giảng dạy lớn như nhau trong môi trường giáo dục chính
quy và khơng chính quy. Từ quan điểm giáo khoa, chúng cung cấp nhiều cơ hội
học tập liên ngành và nhiều liên kết đến các khái niệm cơ bản năng lượng , người
cho-người nhận và cấu trúc-tài sản . Ngồi ra, có rất nhiều liên kết đến nhiều nội
dung cổ điển và lĩnh vực nội dung dạy học hóa học ở cấp II - chỉ một ví dụ về cách
thực hiện điều này theo cách định hướng hàng ngày được mơ tả trong tài liệu2 .
Vì những lý do này và những lý do khác, lĩnh vực chủ đề "Hóa học với ánh sáng"
là đối tượng nghiên cứu của một số nhóm nghiên cứu giáo khoa và được mơ tả một
cách có hệ thống trong một ấn phẩm gần đây để giảng dạy trên lớp. 3 . Tuy nhiên,
tiềm năng hiện mới chỉ được khai thác một phần trong lớp học, do một số chương
trình chưa tính đến (đủ) chủ đề hoặc còn hạn chế ở những xem xét hời hợt và một
vài ví dụ ứng dụng. Ví dụ, các khả năng và cơ hội học tập chuyên sâu hơn được
đưa ra bằng cách sử dụng ánh sáng cho các phản ứng quang xúc tác với việc xem

xét các cơ chế cơ bản2 , tổng hợp đèn LED hữu cơ (OLED)4 , đèn LED dựa trên
chấm lượng tử (QLED)5 , quang sắc6 , quang hợp nhân tạo7 hoặc quang xúc tác
tách nước bằng tia UV8 . Điều thú vị không kém liên quan đến tầm quan trọng xã
hội trong tương lai và biến đổi khí hậu là các câu hỏi định hướng ứng dụng trong


bối cảnh sinh học, tức là tiềm năng của những vật liệu này có thể được sử dụng
như thế nào để đạt được, chẳng hạn như quang hợp nhân tạo với hiệu quả cao nhất
có thể.
Tuy nhiên, nghiên cứu khoa học hiện tại về mục tiêu có tính liên quan cao về mặt
xã hội này vẫn chưa được truyền đạt đầy đủ trong các trường học và phịng thí
nghiệm của sinh viên, cũng như sự đóng góp mà các cơng nghệ tương ứng có thể
tạo ra cho tồn xã hội ( ví dụ: cung cấp năng lượng, di chuyển, biến đổi khí hậu)
chưa được quan tâm. coi như đủ.
Tại trung tâm nghiên cứu hợp tác CataLight của các trường đại học Jena, Ulm,
Mainz và Vienna, những vấn đề này đang được nghiên cứu theo cách cơ bản, định
hướng ứng dụng và liên ngành.9 . Ngoài việc phát triển các trung tâm quang điện
và chất xúc tác mới, lần đầu tiên các tương tác với một ma trận mềm xung quanh
cũng đang được kiểm tra một cách có hệ thống. Bằng cách kết hợp các yếu tố này hệ thống ảnh với ma trận - nó nhằm giải quyết các thách thức trung tâm hiện ngăn
cản việc chuyển sang ứng dụng, chẳng hạn như ổn định, điều chỉnh và tái tạo vật
liệu. Những phát hiện tương ứng mang đến những cơ hội tuyệt vời để liên kết chặt
chẽ bối cảnh nghiên cứu hiện tại với nội dung cổ điển của giáo dục hóa học và
những thách thức xã hội. Các bối cảnh hiện đang xuất hiện khắp nơi trên các
phương tiện truyền thơng, chẳng hạn như tính di động hoặc nguồn cung cấp năng
lượng của tương lai cũng mang đến nhiều cơ hội thảo luận (“Thứ Sáu cho Tương
lai”).
Mục tiêu trọng tâm của dự án là tạo ra hydro tái tạo và hiệu quả bằng ánh sáng mặt
trời. So với quang xúc tác tách nước bằng tia UV năng lượng cao 10 , việc triển khai
với ánh sáng mặt trời năng lượng thấp hơn mang lại nhiều thách thức hơn đáng kể nhưng cuối cùng cũng có nhiều tiềm năng hơn cho việc cung cấp năng lượng rộng
rãi, hiệu quả và bền vững.

Trong bài viết này, những phát hiện mới từ nghiên cứu khoa học được trình bày
ngắn gọn, sau đó là minh họa, cách những kết quả này có thể được truyền đạt một
cách chính xác trong trường học và phịng thí nghiệm của sinh viên thơng qua
phương pháp thử nghiệm. Với mục đích này, một loạt các thí nghiệm về sản xuất
và phát hiện hydro được trình bày, có thể được thực hiện bằng các hóa chất và thiết
bị đơn giản và vô hại.
2. Cơ sở khoa học


Thiên nhiên sử dụng quá trình quang hợp để tạo ra các vật liệu dự trữ năng
lượng, ví dụ như đường, từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide. Do đó
quang hợp chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học. Năng lượng
sau đó được lưu trữ trong các liên kết hóa học. Các nhóm nghiên cứu trên khắp thế
giới đang theo đuổi mục tiêu này trong các nghiên cứu về cái gọi là quang hợp
nhân tạo. Mục đích của q trình này là sử dụng ánh sáng mặt trời để tách nước
thành các nguyên tố của nó, tức là hydro và oxy. Nhìn vào phản ứng cơ bản:

Thoạt nhìn, những thứ này có vẻ khá đơn giản. Tuy nhiên, về chi tiết, cả hai nửa
phản ứng oxi hóa khử, tức là q trình oxy hóa nước thành oxy và khử nước thành
hydro, đều khá phức tạp, vì chúng được gọi là phản ứng đa electron kết hợp
proton. Ví dụ, đối với q trình khử nước, có thể thấy rằng hai proton và hai
electron phải phản ứng với nhau để tạo ra một phân tử hydro. Điều này đòi hỏi các
chất xúc tác phức tạp và đặc hiệu cao. Mối quan tâm lớn hiện nay là chất rắn
sunfua molypden, kết hợp khả năng phản ứng cao, ổn định và chi phí ban đầu
thấp. Trong khn khổ bài viết này, chúng tôi sử dụng các chất tương tự phân tử
của molybdenum sulfide, cái gọi là thiomolybdates.
Nếu quá trình tách nước thu nhiệt được thực hiện với ánh sáng mặt trời, thì một
phân tử cảm quang cũng phải được tích hợp vào hệ thống phản ứng với vai trị là
bộ thu ánh sáng. Trong các nghiên cứu cơ bản, các phức hợp rutheni thường được
sử dụng vì chúng kết hợp khả năng hấp thụ ánh sáng cao với các đặc tính truyền

điện tử tốt.
Vì bộ thu ánh sáng và chất xúc tác chỉ có thể tương tác nếu chúng ở gần nhau trong
không gian, nên sự lắng đọng chung của cả hai phân tử trên các vật liệu rắn như
chất bán dẫn hoặc polyme được sử dụng. Phương pháp này thu được chất rắn hoạt
tính xúc tác, nhạy quang, còn được gọi là vật liệu lai do sự kết hợp của các thành
phần thường là vô cơ và hữu cơ. Việc kết hợp vào một ma trận polyme đạt được
theo cách này cải thiện khả năng hòa tan (độ phân tán) của nhiều chất xúc tác hoặc
chất nhạy cảm trong một mơi trường thích hợp (trong trường hợp này là nước), và
mặt khác, con đường này đảm bảo đủ gần nhau cả hai thành phần cho quá trình
quang xúc tác tiếp theo hiệu quả.
Một ưu điểm nữa là chất rắn có thể dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng lỏng
sau khi phản ứng kết thúc và được tái sử dụng. Trong bài viết này, một hệ thống
mô hình đơn giản hóa bao gồm chất nền rắn oxit kim loại (TiO 2 ), chất xúc tác mô


hình (thiomolybdate, (NH 4 ) 2 [Mo 3 S 13 ]) và chất thu ánh sáng Eosin Y được sử
dụng để tái tạo mô phạm trên giảm nước do ánh sáng và hình thành hydro trong
một hệ thống như vậy.
3. Tái thiết giáo khoa
Để chuyển giao thành công những phát hiện này cho các trường học, cụ thể có ba
thách thức chính:
(1) Tái thiết giáo khoa : Do mức độ chun mơn hóa cao, nghiên cứu (cơ bản)
hiện tại thường rất khắt khe và người học khó hiểu. Đặc biệt là trong sự hiểu biết
về ánh sáng, có những định kiến hoặc quan niệm sai lầm về một bộ phận người
học.3 , mà phải được giải quyết.
(2) Thí nghiệm và phân tích: Nghiên cứu hiện tại thường dựa vào thiết bị và hóa
chất khơng thể sử dụng trong trường học vì lý do chi phí và/hoặc có khả năng gây
nguy hiểm cao. Ngồi ra, các trường học và phịng thí nghiệm sinh viên thường
khơng có quyền truy cập vào các phân tích khoa học.
(3) ( Nhận thức ) rào cản từ giáo viên : Nhiều giáo viên có động lực dạy các môn

học mới trong lớp của họ, nhưng thường tiếp cận và/hoặc nhận thấy nhiều rào cản
đối với việc dạy các môn học mới trong lớp của họ. Cụ thể, chúng bao gồm thiếu
kiến thức chuyên môn, thiếu tài liệu giảng dạy và thiếu thời gian giảng dạy.11 .
Trong giáo khoa hóa học thực nghiệm-khái niệm, các khái niệm nghiên cứu khác
nhau được áp dụng cho quá trình phát triển các nội dung hóa học đặc trưng của chủ
đề nhằm thực hiện thành công các dự án tương ứng. 12 . Các mơ hình được chấp
nhận rộng rãi, ví dụ như mơ hình Nghiên cứu đổi mới chương trình giảng dạy 13 hay
mơ hình Tái thiết Didactic14 . Cơ hội đặc biệt về chất lượng và kết quả liên thơng
thực hành, nếu q trình tái cấu trúc bao gồm cả chun mơn sư phạm, hóa học và
thực hành giảng dạy. Bằng cách này, một mặt, kiến thức chuyên môn về hóa học và
thực tế có thể được sử dụng và mặt khác, các rào cản đối với việc chuyển giao vào
thực tiễn trường học có thể được giải quyết tốt hơn trong q trình phát triển.
Do vị trí quan trọng giữa nghiên cứu và trường học, các phịng thí nghiệm dành
cho sinh viên là địa điểm học tập lý tưởng cho việc này, vì tất cả các tác nhân này
đều tập trung tại nơi này. Kết nối trực tiếp của họ với trường đại học (1) cung cấp
mức độ tự do vật chất để phát triển và thử nghiệm các khái niệm và tài liệu giảng
dạy, (2) cho phép các nhóm nghiên cứu và nghiên cứu theo chủ đề cụ thể được
tham gia trực tiếp tại chỗ và (3) có thể tăng tốc đáng kể thử nghiệm thực tế và tối
ưu hóa các đề xuất giảng dạy theo nghĩa "tạo mẫu nhanh". Do đó, các phịng thí


nghiệm của sinh viên có tiềm năng đóng vai trị là chất xúc tác cho việc chuyển
giao nội dung nghiên cứu hiện tại vào giáo dục chính quy.


 Hình 1. Mơ hình Nghiên cứu Chuyển giao Giáo dục
Tiềm năng này được phản ánh trong mơ hình Nghiên cứu Chuyển giao Giáo dục
( Hình 1 )15 . Trong ba phần, nó mô tả (1) sự tái cấu trúc mô phạm của nội dung với
sự hợp tác của các nhà khoa học chủ đề, (2) sự phát triển của các tài liệu giảng dạy
trong một quá trình theo chu kỳ của ý tưởng, thử nghiệm, đánh giá và tối ưu hóa

với sự tham gia của giáo viên và học sinh trong quá trình phịng thí nghiệm của
sinh viên và các trường đối tác, và (3) phổ biến lần cuối các tài liệu đã thử nghiệm
vào thực tiễn giảng dạy.
Là khối xây dựng đầu tiên của quy trình này, chúng tơi mơ tả một loạt thí nghiệm
về phản ứng tiến hóa và phát hiện hydro, có thể được thực hiện trong phịng thí
nghiệm của trường và là một phần của công việc dự án hoặc bài báo hội thảo.
4. Phần Thí nghiệm
Là chất xúc tác cho phản ứng tiến hóa hydro với ánh sáng mặt trời, titan điơxít
(chất quang xúc tác), phức hợp rutheni (phân tử nhạy sáng) và thiomolybdat (chất
đồng xúc tác) đã nổi lên như những ứng cử viên đầy triển vọng trong một thời
gian. Cơng trình khoa học hiện tại tập trung vào việc tối đa hóa sản lượng hydro
của các hệ thống này16 ,17 ,18 . Một thách thức ở đây là kiểm soát chuyển điện tử giữa
các hệ thống liên quan. Về vấn đề này, một phương pháp hiện tại là phát triển
copolyme ghép đa điện phân.19 ,20 . Chúng có các đặc tính và nhóm chức phù hợp
cho phép cố định cả chất xúc tác và chất cảm quang. Do đó, việc chuyển điện tử
giữa các hệ thống được tạo điều kiện thuận lợi, điều này có thể dẫn đến tăng sản
xuất hydro cũng như kéo dài tuổi thọ19 .
Sau đây, nguyên tắc cơ bản này sẽ được xây dựng lại trong một thí nghiệm của
sinh viên. Để hệ thống này được sử dụng trong thí nghiệm ở trường học, nhiều khía
cạnh đã được giải quyết và đơn giản hóa – so với quy trình được sử dụng trong
nghiên cứu: (1) Phức hợp Ruthenium(II) không thể được sử dụng trong phịng thí


nghiệm của trường do chi phí mua cao. cũng như độ nhạy cảm của chúng với
oxy. Thay vào đó, thuốc nhuộm rẻ tiền Eosin Y, cũng được sử dụng trong mỹ phẩm
và đã được mô tả nhiều lần trong giáo trình hóa học 21 , được ứng dụng như một
phân tử cảm quang. (2) Tổng hợp copolyme ghép đa điện phân tùy chỉnh 19 ,20 cũng
không khả thi trong trường học vì nhiều lý do và được thay thế bằng axit
polyacrylic (PAA) và polydallyldimethyl clorua (PDADMAC) là những chất thay
thế có bán trên thị trường, rẻ tiền và khơng nguy hiểm. Cả hai polyme đều thể hiện

các đặc tính liên kết đủ tốt cho hệ thống xúc tác được sử dụng. (3) Do có bất kỳ
nguy cơ tiềm ẩn nào, các hóa chất độc hại (methanol) đã được miễn trừ; (4) đồng
thời, khơng sử dụng mơi trường khí trơ để giúp học sinh chuẩn bị mẫu dễ dàng
hơn. (5) Cũng có thể tùy ý loại bỏ chất đồng xúc tác khơng có bán trên thị trường
(ammonium thiomolybdat, (NH 4 ) 2 [Mo 3 S 13 ]∙2H 2O). Tất cả các thí nghiệm chỉ
cần một lượng rất nhỏ hóa chất. Tuy nhiên, nếu cân chính xác hoặc pipet microliter
khơng có sẵn ở các địa điểm bên ngồi, thì có thể dễ dàng sử dụng nồng độ cao
hơn. Hình 2 tóm tắt các điều chỉnh được thực hiện đối với hệ thống trong q trình
chuyển từ phịng nghiên cứu sang phịng thí nghiệm của sinh viên.


 Hình 2. Phát triển hệ thống tách nước xúc tác quang đơn giản cho phịng thí
nghiệm của sinh viên. Những thay đổi so với hệ thống được sử dụng cho
nghiên cứu CataLight được đánh dấu bằng màu cam
4.1. Sự hình thành hydro với ánh sáng mặt trời
Hỗn hợp axit polyacrylic (PAA) và polydallyldimetyl clorua (PDADMAC) được
chọn làm hệ polyme có đặc tính đa điện phân. PAA có nhiều ứng dụng trong mỹ
phẩm và dược phẩm, trong khi PDADMAC được sử dụng làm chất cố định cation
phổ biến trong sản xuất giấy, trong số các ứng dụng khác (xem Hình 3 ). Cả hai
hóa chất đều rẻ, sẵn có và khơng nguy hiểm.



 Hình 3. PAA (trái), PDADMAC (phải )
Các polyme được điều chế với tỷ lệ mol n PAA : n PDADMAC = 0,5. Hệ thống này tạo
thành phức hợp hòa tan trong nước, được gọi là phức hợp đa điện phân của các
polyme tích điện trái dấu ở độ pH bằng 9, có thể hoạt động như các polyelectrolyte
mẫu cho các copolyme ghép được thiết kế riêng. Cụ thể, các nhóm carboxyl tích
điện âm của PAA có thể cố định titan dioxit; tương tự, PDADMAC tích điện dương
có thể cố định thuốc nhuộm Eosin Y (và cả thiomolybdate), tạo điều kiện chuyển

điện tử giữa các thành phần và tăng cường tạo hydro.
Để giảm thiểu các nguồn sai số hoặc biến dạng và để đảm bảo tiêu chuẩn có thể so
sánh được, đèn halogen được chọn làm nguồn sáng trong thí nghiệm này, vì hàm
lượng tia UV của nó thấp hơn nhiều so với ánh sáng mặt trời 22 . Ngoài ra, có thể
chọn đèn chiếu sáng LED hoặc ánh sáng mặt trời làm nguồn sáng cho thí nghiệm
này.
Hóa chất, ngun liệu: polydiallyldimethylammonium chloride (Sigma Aldrich,
MW = 100,000, 10 g·L -1 ), “PDADMAC”), axit polyacrylic (Sigma Aldrich, MW
= 2, 000, 1 g·L -1 , “PAA”) , titan dioxit (Sigma Aldrich, 1 g·L -1 , “TiO 2 ”), Eosin
Y (Fisher Scientific, 0,692 g·L -1 ), dung dịch triethanolamine (Sigma Aldrich,
99%, pha loãng 1:1 với dest. nước, “TEOA”), axit clohydric (0,5 M), định
mệnh. nước, 4 lọ có nắp đậy, pipet microliter (IKA) hoặc ống tiêm có kim tiêm, bể
siêu âm, nguồn sáng ( ví dụ: Powli023, 500W)
Quy trình: Để tạo ra các dung dịch xúc tác, trước tiên các dung dịch gốc nước được
chuẩn bị theo các nồng độ đã cho ở trên. Sự phân tán titan điôxit-nước được xử lý
bổ sung trong thời gian ngắn trong bể siêu âm cho đến khi các hạt nano TiO 2 được
phân tán. Tổng số bốn lọ được điền như sau:
• Mẫu 1 và 2: 3 mL nước, 0,03 mL dung dịch PAA, 0,3 mL dung dịch
PDADMAC, 0,3 mL TiO 2 phân tán, 1 mL dung dịch TEOA, 1 mL dung dịch Eosin
Y.


• Mẫu 3 và 4: 3 mL nước, 0,3 mL TiO 2 phân tán, 1 mL dung dịch TEOA và 1 mL
dung dịch Eosin Y.
Giá trị pH của tất cả các mẫu được điều chỉnh thành 9 với ~ 5 giọt axit
clohydric. Tiếp theo là xử lý các mẫu trong bể siêu âm trong ba mươi phút. Sau đó,
mẫu 1 và 3 được đặt trước nguồn sáng trong 45 phút với cảm biến hydro được đặt
ở trên (xem Hình 6 ), trong khi mẫu 2 và 4 được giữ trong môi trường tối.
Quan sát: Sau khi thêm dung dịch Eosin Y màu da cam, các mẫu không màu
chuyển sang tông màu hồng, huỳnh quang. Trong quá trình phơi sáng, các mẫu

được chiếu xạ chuyển sang màu hơi vàng, trong khi các mẫu không được chiếu
sáng vẫn giữ nguyên màu sắc của chúng (xem Hình 4 ).


 Hình 4. Các mẫu khác nhau trong quá trình chiếu xạ bằng ánh sáng mặt trời
Phân tích : Chu trình xúc tác được đề xuất cho thí nghiệm này bao gồm một số
bước từ chiếu xạ đến tiến hóa hydro. Trong bước đầu tiên, phân tử cảm quang (PS,
ở đây: Eosin Y) được đưa vào trạng thái kích thích (PS*) thơng qua chiếu xạ bằng
ánh sáng23 . Sau đó, PS* bị kích thích sẽ phản ứng với chất cho điện tử hy sinh
(TEOA), quá trình này được gọi là dập tắt tính khử và làm giảm phân tử cảm
quang (PS - ). Thứ ba, PS- khử chuyển electron đến chất xúc tác (Cat, ở đây: TiO 2 ), sử
dụng electron này để khử Proton (H + ).
Như đã mô tả ở trên, các polyme phân tán và cố định các thành phần và do đó tạo
điều kiện cho sự chuyển điện tử giữa các thành phần (xem Hình 5 ).




 Hình 5. Cơ chế phản ứng đơn giản hóa từ sự chiếu xạ của hệ thống quang
điện đến phản ứng tạo ra hydro
4.2. Phân tích chi phí thấp trong lớp học với LabPi
Vì phân tích bằng sắc ký khí chỉ có sẵn cho rất ít trường học và phịng thí nghiệm
của sinh viên, chúng tơi mơ tả dưới đây một cách có thể được thực hiện mà khơng
tốn kém trong các bài học ở trường. Trạm đo kỹ thuật số chi phí thấp LabPi 24 được
sử dụng cho mục đích này, dựa trên máy tính mini Raspberry Pi, phần cứng tùy
chỉnh và phần mềm miễn phí. Một cảm biến hydro - ở đây: Joy-IT Sen-MQ-8 được kết nối. Những cảm biến này hoặc giống hệt nhau từ các nhà sản xuất khác
được phổ biến rộng rãi, giá khoảng 3-4 € ( Hình 6 ). Với bảng điều hợp từ LabPi,
cảm biến được kết nối với giao diện USB-C. Nếu khơng có bảng điều hợp, cảm
biến cũng có thể được kết nối theo sơ đồ mạch được cung cấp tại đây25 .


 Hình 6. Cảm biến hydro giá rẻ (trái); độ nhạy có thể được điều chỉnh thơng
qua chiết áp (có màu xanh lam với vít màu xám); phép đo nồng độ hydro
đơn giản hóa (phải)
Khi cảm biến được kết nối, lớp nhạy cảm sẽ nóng lên đến nhiệt độ hoạt động
không đổi, được biểu thị bằng đường cơ sở khơng đổi (ở đây: 24 ppm). Nếu bây
giờ các khí được hướng vào bề mặt cảm biến, chúng sẽ tương tác với cảm biến bán
dẫn. Các khí khử, (chẳng hạn như hydro và ethanol) sẽ làm tăng mật độ electron
trong dải dẫn điện, trong khi các khí oxy hóa (như oxy) sẽ có tác dụng ngược
lại. Điều này dẫn đến việc tăng hoặc giảm điện áp tương ứng được phát
hiện. Nguyên lý hấp thụ ion trên bề mặt cảm biến cấu trúc nano và các ví dụ liên
quan và hướng dẫn xây dựng cho giảng dạy được mô tả chi tiết hơn trong tài
liệu26 .
Trong thí nghiệm đã cho, các mẫu được kiểm tra một cách tương đối; do đầu cảm
biến vừa khít với miệng lọ, sai số do hydro thốt ra sớm có thể được giữ ở mức


nhỏ nhất có thể. Việc chuyển đổi dữ liệu thơ của cảm biến (điện trở của lớp cảm
biến hoạt động, tính bằng Volt) thành ppm được thực hiện trên cơ sở bảng dữ liệu
cảm biến bằng một tập lệnh có sẵn miễn phí27 .
Tất cả các thí nghiệm đã được tiến hành nhiều lần. Các kết quả tổng hợp cho thấy
sự phát triển hydro ngày càng tăng theo thời gian trong các mẫu 1 và 3, trong khi ở
các mẫu 2 và 4 - không được chiếu xạ - không phát hiện thấy hydro nào vượt quá
giá trị tham chiếu như mong đợi. Các kết quả được mô tả trong Hình 7 .


 Hình 7. Kết quả đo của thí nghiệm 4.1: mô tả là mẫu 1 (màu đen), mẫu 3
(màu đỏ) và mẫu chuẩn (màu xanh). Tệp dữ liệu hồn chỉnh có thể được tìm
thấy trong thơng tin hỗ trợ
Tâm điểm của phân tích này là so sánh giữa các mẫu 1 và 3, trong đó cho thấy rằng

các polyme dẫn đến sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ chuyển đổi. Sau 45 phút, mẫu 1
cho thấy nồng độ là 214 ppm trong khi mẫu 3 cho thấy 56 ppm, chỉ vượt một chút
so với tham chiếu (mẫu 3 và 4) là khoảng 40 ppm.
Trên cơ sở này, vai trị của nền polyme trong đánh giá có thể được hiểu như một
chất trợ phân tán, đồng thời giúp làm trung gian cho sự tiếp xúc của các chất phản
ứng. Sự hình thành phức chất đa điện phân giữa PAA và PDADMAC tạo ra các
điểm gắn (tĩnh điện) khác nhau cho chất xúc tác và chất nhạy cảm. Do đó, cả hai
lồi phân tử được liên kết với nhau trong không gian gần bằng ma trận polyme dẫn
đến quá trình tiến hóa hydro điều khiển bằng ánh sáng hiệu quả hơn.
5. Kết luận và Triển vọng
So với các hệ thống từ nghiên cứu hóa học, cần lưu ý rằng lượng hydro được tạo ra
hiện vẫn còn kém 1-2 bậc độ lớn. Tuy nhiên, sự phát triển của hydro có thể được
tiến hành trong thiết lập thí nghiệm này bằng các phương pháp đơn giản trong
phịng thí nghiệm của trường.
Trong công việc tiếp theo, các tham số bổ sung đang được tối ưu hóa để tối ưu hóa
tỷ lệ chuyển đổi. Một mặt, đây là việc bổ sung chất đồng xúc tác phù hợp và mặt
khác, sử dụng hỗn hợp etanol-nước làm dung mơi, chất này đóng vai trị là chất


xúc tác ở nồng độ thích hợp. Hơn nữa, nồng độ của các chất phản ứng sẽ được tăng
lên, ngoài việc tăng doanh thu được mong đợi, đồng thời có thể đơn giản hóa hơn
nữa việc chuẩn bị mẫu. Với các nguồn ánh sáng nhân tạo tiết kiệm chi phí ( ví
dụ: đèn ban ngày Ultra Vitalux, khoảng 30 €), hiệu suất có thể được tăng thêm và
phản ứng cũng có thể được thực hiện độc lập với thời gian trong ngày và các yếu tố
môi trường khác ( tức là mùa, góc của ánh sáng mặt trời, v.v.).
Thí nghiệm được trình bày mở ra cơ hội tiếp cận thử nghiệm đầu tiên cho học sinh
vào thế hệ vật liệu trong tương lai, có thể tạo ra hydro bền vững với ánh sáng mặt
trời bằng sự tương tác của hệ thống ảnh với ma trận xung quanh. Do đó, nó cung
cấp một cái nhìn sâu sắc về một lĩnh vực nghiên cứu hiện tại về hóa học và khoa
học vật liệu và liên kết với những thách thức đối với toàn xã hội cũng như các lĩnh

vực mà sinh viên quan tâm. Hydro có thể được tạo ra bằng ánh sáng mặt trời và
sau đó được phát hiện bằng cách sử dụng các hóa chất vơ hại và vật liệu rẻ tiền.
Về tổng thể, chủ đề tạo sự tham khảo đối với các nội dung cổ điển của dạy học hóa
học ( xúc tác, chuyển hóa năng lượng, phản ứng oxi hóa khử, polyme) cũng như
các khái niệm cơ bản của hóa học (năng lượng, cấu trúc-tính chất) và các lĩnh vực
năng lực (kiến thức chuyên môn, lĩnh hội kiến thức , sự đánh giá). Ngoài ra, sự kết
nối của quang hóa học với các khía cạnh của Giáo dục vì sự phát triển bền vững,
vốn đã được kêu gọi nhiều lần, được thực hiện một cách đồng bộ28 .
Thí nghiệm phù hợp cho các phịng thí nghiệm của sinh viên và các bài báo hội
thảo với những sinh viên quan tâm. Nó thể hiện bước đầu tiên hướng tới việc mở
rộng lĩnh vực chủ đề này cho việc giảng dạy thường xuyên ở trường học trong
trung hạn. Để đạt được mục tiêu này, các thí nghiệm sẽ được tối ưu hóa hơn nữa để
tăng lượng hydro nhỏ hiện tại. Sau đó, một trình tự giảng dạy cho các phịng thí
nghiệm trường học sẽ được phát triển và thí điểm cùng với giáo viên. Kết quả đánh
giá sẽ được tích hợp vào q trình tối ưu hóa hơn nữa, để trong trung hạn có thể
thực hiện việc chuyển đổi sang giảng dạy hóa học thơng thường. Để đạt được mục
tiêu này, sẽ có tài liệu giảng dạy đi kèm như một tài nguyên giáo dục mở cũng như
một bộ tài liệu miễn phí cho giáo viên nhằm hạ thấp các rào cản đối với việc sử
dụng chúng trong lớp học.
Sự nhìn nhận
Hội đồng Nghiên cứu Đức (DFG) rất biết ơn vì đã hỗ trợ cho cơng việc này thơng
qua Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác (CRC) “CataLight” (Transregio SFB TRR 234,
số dự án 364549901, các dự án A5, B3, B5 và Ư1). Tài trợ truy cập mở được kích
hoạt và tổ chức bởi dự án DEAL.