Điều chế nano bằng phương pháp sol

Câu 3: Điều chế nano bằng phương pháp sol
Nguyên tắc tạo thành hệ keo: các hạt nano phân tán trong chất lỏng
Sự phát triển hạt của các vật liệu dạng khối hay nano điều là quá trình kết tủa của 1 pha rắn từ dd.
Với 1 dung môi cụ thể thì có một độ tan nhất định, nếu them một lượng quá độ tan này sẽ xảy ra 1 hiện
thượng kết tủa và tạo ra các tinh thể nano. Vì thế, trong trường hợp tạo thành các hạt nano, để cho sự tạo
mầm xảy ra phải tạo dd bão hòa
Để điều chế nano:
chọn tỷ lệ nồng độ tỉ lệ bão hòa lớn kích thước mầm càng nhỏ thời gian tạo mầm nhanh và phát triển hạt
ngắn hạt đồng nhất nhiệt độ thấp
bảo quản các hạt nano không tiếp xúc, kết tủa với nhau
Phương pháp sol vận dụng để điều chế nano
Tạo 1 hệ keo đơn đơn phân tán yêu cầu sự tạo mầm riêng lẻ một cách tam thờ, điểu khiển sự phát triển hạt
chậm trên các mầm. Thực hiện bằng cách:
Thêm nhanh chất phản ứng vào bình phản ứng chứa 1 dung môi trí nóng
Thêm nhanh chất phản ứng vào bình phản ứng làm tăng chất phản ứng ban đầu hơn ngưỡng tạo mầm
Nhiệt độ của dd dủ để phân hủy chất phản ứng để dẫn đến sự bão hòa của các hạt trong dd.
Khi có một sự bùng nổ về sự tạo mầm trong thời gian ngắn, nồng độ của các mầm này trong dd giảm xuống
dưới nồng độ tới hạn của sự tạo mầm có sẵn khi mà sự tiêu thụ chất pư để phát triển hạt không vượt mức quá
tốc độ them chất pư vào dd. Ví sự phát triển của bất kỳ tinh thể nano nào cũng tương tự như đối với các chất
khác, phân bố kích thước ban đầu được xác định chủ yếu bởi thời gian mà mầm được tạo thành và bắt đầu
phát triển. Nếu thời gian phát triển tinh thể nano trong quá trình tạo mầm ngắn so với quá trình phát triển sau
đó thì các tinh thể nano có thể trở thành đồng nhất hơn trong thời gian tập trung hình thành kích thước.
Một sự đạt được trong tổng hợp khác bao gồm trộn các chất phản ứng vào trong 1 bình pư ở một nhiệt độ
thấp đủ ngăn ngừa bất kỳ một pư có thể có. Một sự năng nhiệt độ dd có điều khiển làm chop ư xảy ra nhanh
và tạo sự quá bão hòa theo yêu cầu và sau đó được giải phóng bởi 1 sự bùng nổ tạo mầm. Khi nhiệt độ được
diều chỉnh để giữ tốc độ mà ở đó các chất tham gia pư ít hơn hoặc bằng tốc độ vật liệu gắn vào các mầm có
sẵn, thì trạng thái quá bão hòa không trở lại và không coa mầm mới tạo thành. Trong cả hai trường hợp, phân
bố kích thước của mẫu tinh thể nano được giới hạn chủ yếu bởi thời gian ngắn khi các tinh thể tạo thành và
bắt đầu phát triển.
Nói chung, kích thước tinh thể nano tăng khi thời gian pư tăng vì khi đó nhiều vật liệu được them vào bề mặt
của các hạt nano, và kích thước tinh thể nano cúng tăng thì nhiệt độ tăng vì tốc độ thêm vật liệu vào các mầm

có sẵn tăng.
Điều chỉnh một cách hệ thống các thông số pư như thời gian, nhiệt độ, nồng độ chất tham gia pư và chọn lọc
hóa chất, chất hoạt động bề mặt, có thể sử dụng để điều khiển hình dạng, kích thước và chất lượng các tinh
thể nano.
Điều khiển tỉ lệ nồng độ chất tham gia pư và chất hoạt động bề mặt có thể cung cấp một con đường khác điều
khiển kích thước nano vì những nồng độ với tỉ lệ chất bền hóa trên chất tham gia pư cao sẽ ưu tiên cho sự tạo
mầm nhỏ hơn và kích thước tinh thể nano bé hơn.
Trong quá trình phát triển tinh thể nano, các chất haotj động bề mặt trong dd hấp phụ thuận nghịch lên bề
mặt của các tinh thể đã cung cấp một lớp vỏ hữu cơ động (lớp chụp bên ngoài) mà có thể làm bên các tinh
thể nano trong dd và trong mt phát triển của chúng. Chất bề mạt hoạt động liên kết chặt hơn với bề mặt tinh
thể nano hoặc các phân tử lớn hơn cung cấp một cản trở không gian mạnh hơn. Điều này làm chậm tốc độ
thêm vật liệu đến các tinh thể nano và dẫn đến kích thước trung bình của các tinh thể nano bé hơn.
Khi các mẫu tinh thể đạt đến một kích thước yêu cầu, có thể làm ngưng lại sự phát triển thêm bởi sự làm lạnh
nhanh dd. Các tinh thể nano sau đó được tách từ dd phát triển của chúng.Thêm dung môi khác mà có thể hòa
tan với dung môi đầu nhưng không ưu tiên tương tác với nhóm bền hóa (lớp bao bọc tinh thể nano) sẽ làm
giảm ngăn cách sự kết tụ và làm kém bền sự phân tán các tinh thể nano dẫn đến sự tạo bông của chúng.
Ứng dụng
Điều chế các tinh thể nano bán dẫn II-IV
Điều chế các cấu trúc lõi, vỏ bọc của tinh thể nano
Muốn có tỉ lệ bhòa lớn để hạt nano có kích thướt càng bé cho CdO lớn để hạt nano có kích thướt càng bé cho
CdO+SA nhiều tỉ lệ thích hợp


Se trong tuluen vào nhanh: hỗn hợp phản ứng bùng phát phản ứng xảy ra nhanh-> quá trình tạo mầm vá phát
triển hạt ngắn-> kích thướt hạt bé và đồng nhất
Làm lạnh nhanh 20-50oc cắt không cho quá trình tạo mần và hạt phát triển thêm nữa->hạt đồng nhất
SA và TOPO: bảo vệ các hạt nano tiếp xúc với nhau
Axeton: thu dược các hạt nano
Câu 3: Điều chế vật liệu nano bằng phương pháp micelle.
Phương pháp micelle là phương pháp sử dụng các chất hoạt động bờ mặt để tạo nên các lồng phản

ứng có kích thước nano và các phản ứng tổng hợp nên các hạt nano sẽ xảy ra bên trong các lồng nano này.
(đây là cách hiểu của người soạn, các bạn coi lại).
Nội dung phương pháp:
- Khi nồng độ chất hoạt động bờ mặt (HĐBM) vượt quá nồng độ micelle tới hạn trong nước, các micelle
được tạo thành nhờ kết tụ của các phân tử chất HĐBM. Có 2 loại micelle là micelle thông thường và micelle
nghịch.
+ Micelle thông thường thì các mạch hidrocacbon kị nước của chất HĐBM được định hướng về phía trong
của micelle, và các nhóm ưu nước tiếp xúc với môi trường nước bên ngoài micelle. Ở trên nồng độ micelle
giới hạn, tính chất vật lý của các chất HĐBM được thêm vào sẽ tồn tại dưới dạng kết tụ với nhau hoặc các
micelle. Các tinh thể dạng khối của chất HĐBM thay đổi xung quanh nồng độ micelle tới hạn, chẳng hạn như
áp suất thẩm thấu, độ đục, sự hòa tan, sức căng bờ mặt, độ dẫn điện và tự khuyếch tán.
+ Micelle nghịch được tạo thành trong môi trường không nước nơi mà các đầu ưu nước được hướng về phía
pool của những micelle và những nhóm kị nước hướng ra ngoài. Trong trường hợp của những micelle
nghịch, không có nồng độ micelle tới hạn rõ ràng vì số liên kết thường nhỏ và chúng không nhạy với nồng
độ của chất HĐBM.
- Trong cả hai trường hợp, các micelle chỉ tồn tại như một lượng nhỏ của các vật liệu ưu nước hoặc kị nước
tan được. Nếu nồng độ chất HĐBM tăng lên, quá trình tan hóa có thể được cải thiện. Kích thước của droplet
có thể tăng đến một kích cỡ lớn hơn nhiều bề dày đơn lớp của chất HĐBM vì core bên trong của nước hoặc
dầu được mở rộng. Vì nồng độ của chất HĐBM tăng thêm, các micelle có thể bị biến dạng và có thể thay đổi
thành các dạng khác nhau. Điều này làm cho nó có khả năng tổng hợp những hình dạng hạt nano khác nhau.
- Điều chế vật liệu nano bằng các micelle nghịch:
+ Các micelle nghịch có thể được tạo thành bởi các ion của chất HĐBM có 2 chuỗi ankyl, như diethyl
Sulfosuccinate hoặc hỗn hợp của 2 chất HĐBM mang điện tích và trung hòa với một chuỗi oxyethylene ngắn
được hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Các micelle nghịch thường là một hh bền về mặt nhiệt động của
bốn cấu tử chất HĐBM, chất cùng HĐBM, dung môi hữu cơ và nước. Các micelle nghịch có thể hòa tan một
lượng tương đối nước. Chính điều này đã làm cho chúng phù hợp với việc tổng hợp các hạt nano, vì pool
nước có kích thước nano và có thể điều khiển được.
+ PP chung sử dụng các micelle để tổng hợp các hạt nano có thể được chia thành 2 trường hợp:
*Trộn 2 micelle nghịch: do sự kết dính của các micelle nghịch, sự trao đổi của các vật liệu trong droplet nước
xảy ra, chúng dẫn đến một phản ứng giữa các core, và các hạt nano được tạo thành trong các micelle nghịch.

*Trộn một chất phản ứng mà tan được trong các micelle nghịch với một chất phản ứng khác mà có thể tan
trong nước phản ứng có thể thực hiện bởi sự kết dính hoặc trao đổi pha nước giữa hai micelle nghịch.
- Điều chế vật liệu nano bằng các micelle bình thường:
+ Các micelle bình thường là các droplet dầu trong nước. Độ dài chuỗi ankyl của chất HĐBM điều khiển
kích thước của các droplet, phần lớn các vật liệu nano được tạo thành nhờ các chất HĐBM. Điều này dẫn đến
một sự tăng đáng kể lượng cục bộ của chất pư, và một sự quá bão hòa được tạo thành. Trái với micelle
nghịch, không có sự hạn chế của chất tham gia pư. Các micelle bình thường hoạt động như một polyme điều
khiển kích thước hạt.
+ Hình dạng hạt nano khác nhau có thể được tạo nên bởi việc điều chỉnh các thông số pư.
Câu 1: Khái niệm về vật liệu nano
Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước từ 1nm đến 100nm. Vật liệu nano cũng có thể được định nghĩa
là những vật liệu mà thành phần cấu trúc của nó ít nhất có một chiều với kích thước dưới 100 nm. Những vật
liệu có một chiều ở kích thước nano là các lớp như các màng mỏng hay các lớp phủ bề mặt. Các vật liệu có


hai chiều ở kích thước nano có thể kể đến là các sợi nano hay các ống nano. Những vật liệu có ba chiều kích
thước nano bao gồm các hạt nano. Ngoài ra những vật liệu mao quản với kích thước mao quản nằm trong
khoảng vài đến vài chục nano mét cũng được gọi là các vật liệu cấu trúc nano.
Câu 1: Các nguyên nhân dẫn đến các tính chất mới lạ của vật liệu nano so với dạng khối. Cho một số
ví dụ về sự khác biệt tính chất giữa vật liệu nano và vật liệu khối?
- Các vật liệu nano có cấu trúc nanomet ( kích thước nhỏ bé từ 1→ 100nm) và những tính chất mới lạ của
vật liệu nano thay đổi tùy theo kích thước và hình dạng của chúng ( thay đổi mạnh nhất từ 1→ 10nm). Do
đặc điểm của kích thước, tích chất vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tích chất khối
của vật liệu.
- Nguyên nhân đẫn tới tính chất mới lạ của vật liệu nano so với dạng khối là do 2 nguyên nhân cơ bản sau:
+ Vật liệu nano có kích thước nhỏ bé hơn nhiều so với dạng khối tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích tăng → tỷ
lệ các phân tử trên bề mặt tăng.
 Các hạt nằm trên bề mặt càng nhiều thì năng lượng bề mặt càng cao, sức căng bề mặt càng lớn: do
các nguyên tử trên bề mặt hoạt động hóa học mạnh hơn so với các nguyên tử nằm trong khối vì chúng
thường có các nguyên tử phối trí với chúng ít hơn và do đó có nhiều tâm, liên kết chưa bão hòa. Các nguyên

tử bề mặt có xu hướng liên kết với các liên kết chưa bão hòa, nên các bề mặt này thường có một năng lượng
lớn.
 Hàm lượng của các trạng thái bề mặt tăng, các ion bề mặt tăng nhanh và trạng thái bề mặt tăng nhanh
nhờ xây dựng lại bề mặt → dẫn đến cấu trúc bề mặt, hình dạng, tính chất hóa học của hạt nano thay đổi như
giảm nhiệt độ nóng chảy, tính dẫn điện và đặc biệt khả năng hấp phụ của trạng thái bề mặt mạnh hơn ( ứng
dụng xúc tác hấp phụ)
Khi ở kích thước nano < 100nm thì tính chất của nó thay đổi mạnh phụ thuộc vào
hình dạng và kích
thước của hạt.
+ Kích thước hạt giảm làm cho cấu trúc điện tử thay đổi: các e chuyển động trong không gian chật hẹp, bị
hạn chế → hiện tượng giam cầm lượng tử, sinh ra những tính chất điện tử mới lạ → tính chất quang thay đổi.
Cấu trúc e bị thay đổi từ những dải e liên tục đến những mức bị lượng tử hóa hoặc riêng rẽ → sự chuyển
quang liên tục giữa các dải e trở nên riêng rẽ → tính chất vật liệu nano phụ thuộc kích thước hạt. kích thước
càng bé thì sự phụ thuộc càng mạnh.
Ở kích thước vài chục nanomet, có một sự hấp thụ mới, rất mạnh từ sự dao động cộng hưởng của các e trong
vùng dãn của bề mặt hạt này đến bề mặt hạt khác → sự dao động ứng với tần số ở vùng khả kiến → đặc
trưng màu rực rỡ
Vd: những hạt vàng có thể sinh ra màu hồng sáng chói ở kích thước nano.
Tóm lại: Tính chất mới lạ của vật liệu nano là do kích thước hạt giảm.
+ Cấu trúc bề mặt thay đổi, năng lượng bề mặt lớn → tính chất thay đổi và khả năng hấp phụ mạnh.
+ Các e chuyển động trong không gian hạn chế → hiện tượng giam cầm lượng tử → cấu trúc điện tử thay đổi
→ tính chất quang thay đổi
→ tính chất mới lạ (điện, nhiệt, quang)
Và các tính chất của vật liệu nano phụ thuộc hình dạng và kích thước của chúng. Kích thước càng bé thì sự
phụ thuộc đó càng mạnh.
Câu 2: Cho một ví dụ minh họa về sự khác biệt tính chất giữa vật liệu nano và vật liệu khối.


Au dạng khối:
- Màu sắc: màu vàng.

-

-

-

-

-

-

Au dạng nano:
- Thay đổi theo kích thước: đỏ, tím nhạt, da cam,...
do nano vàng không hấp thụ ánh sáng có bước sóng
nằm trong vùng quang phổ của các miếng vàng
thông thường.
- Không bị oxi hóa hay bị mờ.
- Vàng ở kích thước < 5 nm có thể tham gia phản
ứng oxi hóa với CO tạo thành CO2. Ngoài ra co thể
tham gia phản ứng ở nhiệt độ thấp (-700C) trong khi
một số chất xúc tác như Pt ở nhiệt độ > 1000C.
- Tính chất điện: các lí luận về độ dẫn điện dựa trên - Bị chi phối bởi hiệu ứng giam giữ lượng tử làm
cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn.
rời rác hóa cấu trúc vùng năng lượng. Tính chất
điện dựa vào hiệu ứng chắn Columb.
- Tính chất từ: nghịch từ do sự bù trừ cặp điện tử.
- Từ tính tương đối mạnh.
- Tính chất nhiệt: 10640C.

- Nhiệt độ nóng chảy giảm khi kích thước giảm.
Nano vàng 2 nm: 5000C, 6 nm: 9500C
4. Hãy phân tích các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng ô nhiễm môi trường như hiện nay và vật liệu
nano có thể đóng góp gì vào việc khắc phục tình trạng đó.
Có 4 nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ô nhiễm môi trường như hiện nay:
Thứ nhất, dân số trên trái đất ngày càng tăng (gần 7 tỷ người). Ngoài những nhu cầu tối thiểu để tồn tại (như
thực phẩm, nước, quần áo, nhà ở), người ở các nước phát triển có xe hơi, nhà lớn, điều hòa không khí, máy
giặt, máy sấy, máy nước nóng, tủ lạnh và các thứ khác. Do có nhiều người có mức sống rất cao, có nghĩa là
chúng ta gây ô nhiễm càng nhiều, làm hủy hoại và tạo nên một lượng lớn chất thải mà cần phải được lưu trữ.
Thứ hai, khi đi từ một cuộc sống nông nghiệp sang cuộc sống công nghiệp, chúng ta đã chuyển từ việc “sống
nhờ đất” phát triển hạt để ăn, chăm sóc động vật trang trại thì chúng ta xây dựng các nhà máy và máy móc để
sản xuất ra các sản phẩm để tiêu thụ trong siêu thị. Để tạo ra những sản phẩm này chúng ta đã sử dụng rất
nhiều tài nguyên, làm ô nhiễm không khí, nguồn nước. Điểm mấu chốt để công nghiệp hóa này, và do đó gây
ô nhiễm và cạn kiệt tái nguyên, là tạo ra và phát triển chủ nghĩa tư bản hiện đại. Nói một cách đơn giản, chủ
nghĩa tư bản sản suất sản phẩm để tạo ra lợi nhuận. Vì vậy để làm ra lợi nhuận nhiều hơn, chủ sở hữu nhà
máy và chủ doanh nghiệp cần sản xuất và bán nhiều sản phẩm hơn và đây là mối quan tâm duy nhất.Bản chất
của quá trình này đã dẫn đến sự suy giảm tài nguyên và ô nhiễm môi trường đáng kể.
Thứ ba, việc phát triển của tivi, máy vi tính, email và mạng internet khiến các nước đang phát triển cũng
muốn một cuộc sống có tiêu chuẩn ngày càng cao như các nước phát triển. Một tiêu chuẩn vật chất sống cao
hơn có nghiawx là sản xuất nhiều hang hóa như xe, nhà, máy giặt, tủ lạnh, hệ thống sưởi ấm và điều hòa
không khí… Tất cả những điều này có nghĩa là chúng ta cần phải sử dụng nhiều tài nguyên để sản xuất nhiều
sản phẩm hơn, dẫn đến sự suy giảm tài nguyên hơn nữa.. Do sản xuất và sử dụng những sản phẩm này chúng
ta đã gây ô nhiễm và để lại chất thải nhiều hơn.
Thứ tư, ngày càng nhiều người ở các nước đang phát triển muốn có cuộc sống tiện nghi như các quốc gia
phát triển. Họ cũng muốn có tủ lạnh, máy điều hòa, máy nước nóng, máy giặt và các thứ khác. Kết quả dẫn
đến là làm nhanh lên cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm gia tăng và làm tăng tích lũy chất thải ở các nước này.
Chúng ta đang tạo ra một hệ tư tưởng toàn cầu mới, muốn và mong đợi một cuộc sống cao hơn, với số người
ngày càng tăng. Điều này có nghĩa thế giới của chúng ta sẽ tiếp tục đối mặt với vấn đề môi trường hiện tại và
tương lai gần.
Để khắc phục tình trạng đó, công nghệ nano có những ứng dụng quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và

năng lượng:
Về môi trường: màng nano lọc nước thải. Để giải quyết những vấn đề về môi sinh người ta có thể tạo ra
những màng lọc các phân tử gây ô nhiễm nhỏ bé nhất. Công nghệ nano giờ đây đang được áp dụng khá phổ
biến để lọc nước thải, khử muối, diệt khuẩn, hoặc cũng có thể phát hiện ra lượng dư của thuốc trừ sâu, thuốc
tăng trọng.
Về năng lượng: tạo ra pin nano – năng lượng sạch và rẻ. Nhờ công nghệ nano các loại pin mới có khả năng
quang hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch. Với công nghệ nano người ta cũng có thể
chế tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng hơn do sử dụng những loại vật liệu nhỏ nhẹ hơn. Hơn nữa các


màng nano (với chi phí sản xuất rất thấp) hứa hẹn có thể hấp thu nhiều năng lượng mặt trời hơn quang điện
hiện nay. Việc này có thể khởi động cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời.

-

-

-

-

-

-

-

-

7. Vật liệu nano có thể đóng góp gì đến việc tạo ra các nguồn năng lượng thay thế?

Theo kết quả nghiên cứu của UNEP (United nations Environment programme – chương trình liên
hợp quốc về các vấn đề liên quan đến môi trường) trong vòng 2 thập kỉ gần đây, thế giới phải hành
động gấp để ngăn chặn nguy cơ cạn kiệt tài nguyên và các hậu quả kéo theo. Do đó, việc đi tìm
các nguồn năng lượng mới thay thế cho những nguồn năng lượng truyền thống đang là một đề tài
hết sức nóng bỏng trên toàn thế giới.
Bên cạnh việc khai thác sâu các nguồn năng lượng tự nhiên như pin mặt trời, vật liệu nano được
các chuyên gia đánh giá rất có tiềm năng trong việc thay thế một số loại nhiên liệu truyền thống và
công nghiệp sản xuất nhiên liệu.
+ Vật liệu nano ứng dụng trong sản xuất pin sạc Liti-ion. Con người đang tìm cách cải tiến vật liệu anot
nhằm khắc phục những nhược điểm của pin. Ví dụ: Sử dụng Si dưới dạng nano. Việc nghiền cấu trúc Si
trong việc chuyển thành các vật liệu có cấu trúc nano có thể chịu sự căng thẳng tốt hơn. Nhiều thành tựu
khác nhau đã được thử nghiệm với hướng này. Một ví dụ là phân tán các hạt nano Si giữa các tấm graphen
được xếp lại với nhau để tạo một composit Si/graphen. Các tấm graphen linh hoạt chứa sự thay đổi thể tích
lớn trong quá trình tuần hoàn và ngăn cản sự kết tụ hoặc tách các hạt, điều này dẫn đến tính bền tuần hoàn
được cải thiện. Các sự đạt được khác bao gồm giảm kích thước hạt Si, sử dụng màng mỏng hoặc sợi nano
phân tán lên trên nền không hoạt động/ hoạt động, điều chế cấu trúc mao quản 3D, trộn/phủ với cacbon, các
chất kết nối polyme. Một vài cấu trúc được can thiệp bởi công nghệ, như sợi nano phát triển bởi ngưng tụ hơi
hóa học và màng mỏng vô định hình đã chỉ ra rằng tính bền hứa hẹn, nhưng chúng không cho một mật độ đủ
cao của vật liệu hoạt động trong điện cực đối với một pin khả thi và vẫn thất bại khi độ dày của điện cực
tăng.
Các oxit kim loại chuyển tiếp cũng được làm vật liệu anot, và titanate là một trong những nghiên cứu nhiều
nhất. Một trong những lợi thế lớn nhất của anốt titanate là Li chèn trong cửa sổ ổn định của chất điện giải
cacbonat, như vậy tránh được sự phân hủy khử của dung môi điện giải.Ví dụ: cấu trúc nano Li4Ti5O12 (LTO)
chèn Li ở 1,6 V so với Li+/Li, nó giảm thiểu bất kỳ phản ứng phụ và tránh sự hình thành của SEI, dẫn đến cải
thiện độ tin cậy và tuổi thọ:
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e− → Li7Ti5O12
Bề mặt của LTO do đó vẫn còn nguyên cho sự di chuyển Li, và đặc biệt, sử dụng đầy đủ có thể được tạo từ
một diện tích bề mặt riêng lớn để nâng cao năng lực và khả năng tốc độ bên trong các cấu trúc nano LTO.
Một lợi thế khác của LTO là không có sự căng mạng hoặc thay đổi thể tích, có nghĩa LTO không phải là dễ
bị gãy. Điều này dẫn đến một anốt LTO có cấu trúc nano có khả năng tuần hoàn cực kỳ nhanh chóng (trong

vòng một hoặc hai phút) và đạt được sự ổn định cycling cao. Thật không may, điện áp hoạt động của một tế
bào đầy đủ có thể bị giảm bởi sử dụng anốt LTO vào một thế chèn Li cao. Ngoài ra, dung lượng lý thuyết của
LTO là 160 mAh g-1, ít hơn một nửa dung lượng lý thuyết của graphit, làm cho nó hấp dẫn chỉ với các ứng
dụng trong đó tuần hoàn kéo dài hoặc các tính năng an toàn tuyệt vời là những yêu cầu chính.
Vật liệu catốt có cấu trúc nano
Tương tự như các vật liệu anốt, các vật liệu catốt có cấu trúc nano đã được nghiên cứu trong nỗ lực nhằm
giảm rào cản khuếch tán ion Li và sự kém bền về cấu cũng như để giảm thiểu giới hạn nội tại của độ dẫn ion
trong các oxit, để đạt được dung lượng cao hơn. Ví dụ, ca tốt LiCoO2 thông thường có dung lượng thực tế
thấp <140 mAh g-1, thấp hơn nhiều so lý thuyết 273 mAh g -1. Tuy nhiên, một dung lượng 155 mAh g-1 đã đạt
được thậm chí ở mức cao 5 A/g với một cấu trúc LiCoO2 siêu phân nhánh (hyperbranched) bao gồm các
nhánh dày 10 nm phát triển vuông góc với hướng [001] (Hình 5.5a, b). Các tập hợp phân nhánh này của
LiCoO2 được tổng hợp bởi một quá trình hồi lưu một bước của muối/hydroxit muối kim loại kiềm nóng
chảy, điều này sinh các cấu trúc nano có thể điều khiển được trái với phản ứng trạng thái rắn thông thường.
Một ví dụ khác là LiFePO4. Các hạt nano dạng đĩa của LiFePO4 với độ dày 30-40 nm theo hướng [010], được
chế tạo bằng một phương pháp dung môi nhiệt (solvothermal) đơn giản, đã tạo ra một dung lượng cao 165
mAh g-1 tại 17 mA/g và 50 g mAh-1 tại 5,1 A/g.
Công suất tích trữ năng lượng sẽ cải thiện đáng kể với việc sử dụng vật liệu nano vào các loại pin
liti-ion. Kể từ đầu những năm 1990 cho đến nay, đây là công nghệ pin ắc quy quan trọng nhất để


-

-

-

-

-

-

-

-

tích trữ năng lượng. Nó có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu về xe chạy điện
không ngừng gia tăng, và sự thành công của xe chạy điện cũng liên quan trực tiếp đến hiệu suất
pin, kéo dài thêm đoạn đường xe chạy.
+ Ứng dụng trong pin mat trờiMột công trình nghiên cứu do Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC)
cùng Viện nghiên cứu hệ thống và đổi mới Fraunhofer của Đức tiến hành, đã xác nhận những lợi
ích to lớn của công nghệ nano có thể mang lại cho ngành năng lượng, đặc biệt các lĩnh vực tích
trữ năng lượng và năng lượng mặt trời.
Nhờ sử dụng công nghệ nano, việc sản sinh năng lượng của các tế bào năng lượng mặt trời
silicon tinh thể, cũng như các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ đã có thể phát huy hiệu quả, hiệu
suất tăng lên đáng kể. Quy trình sản xuất cần ít nguyên liệu hơn và có khả năng sinh lợi nhiều
hơn.
+ Gần đây, nhóm nghiên cứu đến từ trường đại học Brown đã khám phá ra chất xúc tác có thành
phần là vật liệu phân tử na nô Cô ban (cobalt nanoparticles), có thể đem lại hiệu quả như Platium
và thậm chí còn bền hơn.
Không chỉ dừng lại ở việc thay thế Platium, Xúc tác Cô ban nói riêng, hay xúc tác làm từ vật liệu na
nô nói chung, được dự đoán sẽ giúp sản xuất được nhiều "pin nhiên liệu" hơn, góp phần thay thế
dần các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Một ứng dụng tiêu biểu khác của vật liệu nano
trong ngành công nghiệp chế tạo nhiên liệu là việc pha trộn Xê ri (Cerium - một loại vật liệu na nô
khác) vào nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Đây là kết luận của nhóm nghiên cứu đến từ
hiệp hội bảo vệ môi trường Mỹ EPA (United State Environmental Protection Agency). Theo đó, sự
pha trộn Xê ri vào nhiên liệu đốt khiến cho hiệu quả của động cơ đốt trong được cải thiện đáng
kinh ngạc. Xê ri góp phần làm cho việc ô xi hóa các bon ở nhiệt độ thấp hơn so với các động cơ
dầu diesel thông thường. Điều này có nghĩa là tốn ít nhiên liệu hơn, ít khí thải hơn và việc sử dụng
nhiên liệu mới này sẽ góp phần bảo vệ môi trường.

Việc đưa loại nhiên liệu mới này vào ứng dụng rộng rãi vẫn là "con dao 2 lưỡi" và con người vẫn
cầm đằng lưỡi nhiều hơn. Nguyên nhân là do một khi con người hít phải khí thải này, Xê ri rất dễ đi
từ phổi vào thận, qua đó làm giảm chức năng thận. Việc xử lý khí thải này vẫn đang trong quá
trình nghiên cứu. Tuy nhiên không vì thế mà giới khoa học chối bỏ một sự thật: "vật liệu na nô hứa
hẹn sẽ mang lại một gương mặt mới cho ngành công nghiệp khí đốt" bởi công nghệ vẫn đang phát
triển như vũ bão từng ngày.
+ Trong tương lai, vật liệu nano có thể giúp tạo ra các dạng năng lượng thay thế. Sử dụng các chất xúc tác
nano, người ta có thể sản xuất hyđrô (một dạng năng lượng thay thế) từ nước. Điện cực quang sử dụng vật
liệu nano, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hyđrô với hiệu quả cao gấp 6 lần so với phương pháp dùng các
vật liệu thông thường.
Câu 8 – Trình bày nguyên lý hoạt động và vai trò của Pin Mặt Trời. Phân tích các vấn đề được đặt ra để
pin mặt trời có khả năng thương mại hóa tốt hơn.
Các thế hệ pin mặt trời
Thế hệ thứ I: - Silic đơn tinh thể ( c-Si)
Thế hệ thứ II:
- Silic vô định hình (a-Si)
- Silic đa tinh thể ( poly- Si)
- Cadmium telluride ( CdTe)
Thế hệ thứ III:
- Pin tinh thể nano (nanocrystal solar cell)
- Photoelectronchemical (PEC) cell
- Pin hữu cơ ( polymer solar cell)
- Dye sensitized solar cell ( DSSC)
Thế hệ thứ IV: Hydrid – inorganic crystals within a polymer matrix1.
a. Trình bày nguyên lý hoạt động Pin Mặt Trời Silic
Nguyên lý của pin mặt trời là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect). pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử
bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diod p-n, dùng biến
đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng
số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau.

Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có
được tiếp xúc p - n.
Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha
thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp. Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với
bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron
ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có
tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif - âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3
electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống
(hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là
bán dẫn loại p (positif -dương). Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n,
có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p-n. Ở chỗ tiếp xúc p-n này một ít electron ở
bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó. Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng
thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra
vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế
sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.
Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng
mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử
xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron-lỗ trống. Nếu cặp electron-lỗ trống
này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p- n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một
bên (bên bán dẫn p). Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn,
có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn.
Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn)
thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là
dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng. Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p - n để từ đó làm pin Mặt
trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng.
Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.
- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử,
tuy chỉ là tận dụng nhưng giá vẫn là khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất

thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn
không nhiều.
- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV. Vậy năng lượng của
photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo
thành dòng điện của pin Mặt trời. Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại. Vậy
photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền
dẫn. Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện.
2. Vai trò của Pin Mặt Trời Ưu điểm nổi bật của năng lượng mặt trời là có thể sử dụng lâu dài, bền vững và thân thiện
với môi trường
– Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực.
– Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng.
– Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường.
– Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt.
3.Phân tích các vấn đề được đặt ra để pin mặt trời có khả năng thương mại hóa tốt hơn.
Pin mặt trời hiện có trên thị trường được chế tạo từ các vật liệu vô cơ như silicon. Với vật liệu này, người ta có thể chế
tạo được pin có hiệu suất cao (khoảng 15%). Pin mặt trời silicon là loại phức tạp nhất trong số các pin mặt trời. Do giá
thành của nó cao, nên không thể ứng dụng trong quy mô lớn được. Vì vậy người ta luôn luôn phải cải tiến trong quá
trình chế tạo, tìm vật liệu mới và ứng dụng các màng trong pin để nhầm mục tiêu giảm giá thành.
Để tăng hiệu suất và chất lượng của hệ thống điện mặt trời cần thực hiện những nội dung sau:
3.1.Điều khiển bám điểm công suất cực đại
Vì rằng nguồn năng lượng điện mặt trời có quan hệ phi tuyến giữa V-I, công suất ra của nó phụ thuộc chủ yếu vào các
tải. Do đó khi tải nối trực tiếp vào PV làm hiệu suất hệ thống giảm. Vì rằng giá một tấm pin mặt trời còn đắt nên việc
tăng hiệu suất phát điện của pin, kéo dài tuổi thọ của nó trở thành vấn đề chủ yếu. Công suất sinh ra do tấm PV phụ
thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ vì thế để tăng hiệu suất của pin mặt trời cần có hệ thống điều khiển PV bám
điểm công suất cực đại MPP nhằm tìm sự hoạt động tối ưu về điện áp của tấm PV để tăng hiệu suất của PV.
3.2.Xây dựng các bộ biến đổi có hiệu suất cao
3.2.1 Các loại bộ biến đổi dùng cho lưới điện mặt trời.
Bộ biến đổi có thể được chia thành 2 nhóm chính: nguồn điện áp (VSI) và nguồn dòng
điện (CSI). Gần đây xuất hiện loại biến đổi nguồn Z kết hợp giữa 2 loại này.
3.2.2 Phát triển các modun 3 pha tích hợp cùng bộ biến đổi

Nhằm tăng hiệu suất và chất lượng hệ thống năng lượng pin mặt trời người ta đã thực
hiện tích hợp bộ biến đổi vào module PV tạo một hệ thống có dòng AC ra, đã có một số ưu điểm.
Cụ thể như sau:
- Dể lắp đặt qua hệ thống thiết kế mềm pin mặt trời
- Hệ thống PV làm việc song song khi bộ biến đổi có sự cố
- Không có tổn hao của các module bị che khuất hoặc chồng lên nhau ở những góc nhất định do có các điểm MPP đơn
lẻ.
- Không có cáp DC
- Có khả năng sản xuất với khối lượng lớn chất lượng cao do sử dụng cấu trúc chuẩn.
Việc tích hợp các bộ biến đổi (MICs), tuy có nhiều lợi ích, nhưng trước đây để tích hợp bộ biến ngược MICs chủ yếu
dựa trên các loại module PV đang tồn tại và dùng cho hệ thống một pha công suất nhỏ nên độ tin cậy kém, giá thành
cao và hiệu suất thiết thấp. Để khắc phục nhược điểm trên đây, thì việc tích hợp bộ biến ngược PV được thực hiện với
loại 3 pha dùng module có điện áp lớn. Bằng cách nối với lưới 3 pha, công suất chảy liên tục từ module tới lưới, việc
tích lũy năng lượng một chiều là không cần thiết, không cần dùng tụ điện là phần tử gây giảm tuổi thọ nhiều nhất. Mặt
khác do sử dụng module có điện áp cao(>200V), có thể cấp trực tiếp cho lưới điện mà không cần biến áp, điều đó vừa
giảm giá thành và tổn hao. Để đạt được module có điện áp cao, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tấm mỏng dạng
phim. Viếc nối tiếp các module này có thể đạt được điện áp vài trăm volt.
3.2.3.Không sử dụng biến áp
3.3. Kết hợp phong điện và điện mặt trời: Một hướng tăng hiệu suất và chất lượng của hệ thống điện mặt trời với sự
phát triển sinh thái và kinh tế là sự liên kết giữa PV và phong điện mà nguồn tích lũy ác qui được nhiều người quan
tâm khi điều kiện địa phương có độ gió lớn và bức xạ mặt trời cao.
3.4 Cải tiến ắc qui: Hiện nay ắc qui sử dụng chủ yếu là ắc qui chì, tuy nhiên ắc qui chì có nhiều nhược điểm cần nghiên
cứu cải tiến để giảm giá thành, tăng tuổi thọ của các ắc qui
3.5 Cải tiến các Solar cell. Để tạo nguồn phát điện có hiệu suất cao của PV thì nhiệm vụ chính là phải tạo ra những
cell PV có khả năng tạo điện lớn, giá thành rẻ. Hiện nay đang sử dụng các lọai pin mặt trời sau:
a. Các PV module ở dạng đa tinh thể (Photovoltaic module with multi-crystalline solar cells).
b. Module dạng fim mỏng (Thin film). Hai module trên đây đang dùng rộng rãi, tuy nhiên khả năng phát điện của các
module này còn chưa cao. Trong tương lai người ta đang chờ đợi loại module PV mới ra đời, đó là Solar nano cell và 1

số loại pin mặt trời khác tiên tiến hơn đáp ứng nhu cầu năng lượng con người.
- Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Tatsuya Shimoda thuộc Viện Khoa học và công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) vừa
phát triển thành công một công nghệ có thể giúp giảm giá thành các tấm pin Mặt Trời thân thiện với môi trường. sử
dụng silíc lỏng phun lên các tấm nền để tạo thành các tấm pin Mặt Trời. Phương pháp này đòi hỏi ít thiết bị hơn
phương pháp chế tạo pin Mặt Trời thông thường hiện nay, qua đó giúp giảm 1/2 giá thành sản xuất các tấm pin năng
lượng này.
Công nghệ mới sẽ cho phép các doanh nghiệp phun silíc lỏng lên bề mặt các xe ôtô hoặc điện thoại di động để biến
chúng thành các tấm pin Mặt Trời. Những tấm pin Mặt Trời mỏng này đang trở nên phổ biến vì chúng rất nhẹ và có thể
được sử dụng ở nhiều sản phẩm khác nhau. Tuy nhiên, việc sản xuất các tấm pin Mặt Trời mỏng đòi hỏi phải có các
thiết bị lớn do các nhà sản xuất cần phải chuyển silíc thành khí trước khi xịt chúng vào các chất nền.
- Một nhóm nghiên cứu khác đang phát triển hệ thống dự trữ năng lượng mặt trời, sử dụng hiệu ứng phân tử giống như
hiện tượng quang hợp: nó dùng ánh sáng mặt trời để tách phân tử nước thành hydro và oxy, để rồi sử dụng chúng như
một nguồn nhiên liệu.
- Chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức dự trữ năng lượng mặt trời để dùng khi mặt trời lặn. Nhiệt năng là một trong những
dạng năng lượng dễ lưu trữ nhất. Nhà máy nhiệt điện hoạt động được dựa vào việc nhiệt năng sẽ tạo ra hơi nước quay
các tua-bin, chúng ta phải tìm được một chất nào đó, một loại nguyên liệu nào đó có khả năng giữ được nhiệt năng: nó
phải ổn định ở nhiệt độ cao – vào khoảng 400 độ C – nếu không bạn sẽ phải giải quyết vấn đề về sự bay hơi và thay đổi
áp suất. Và một điều kiện khác: chất này phải rẻ và dễ kiếm. Đóchính là muối ăn. Muối ăn nóng chảy ở nhiệt độ rất
cao, và bay hơi ở nhiệt độ còn cao hơn nữa. Và rõ ràng, nguồn cung cấp muối ăn gần như là vô tận và rất dễ kiếm. Hơn
nữa, mức độ hao hụt năng lượng chỉ vào khoảng 7%. Trên thực tế, nhà máy điện năng lượng mặt trời đầu tiên sử dụng
cách lưu trữ năng lượng này lại không dùng muối ăn. Thay vào đó, là một hỗn hợp nhiều loại muối, có cả natri và kali
nitrat. Nhà máy điện Andasol 1 ở Grenada, Tây Ban Nha chứa khoảng 28.000 tấn hỗn hợp này và hoạt động tháng 11
năm 2008. Ban ngày, nó hoạt động như một nhà máy nhiệt điện bình thường. Ánh sáng mặt trời chiếu thẳng vào những
tấm gương parabol để rồi làm nóng một ống chứa đầy dầu, lên đến nhiệt độ khoảng 400 độ C. Dầu nóng sẽ đc dùng để
đun nước, tạo hơi nước và làm quay các tua-bin. Và khi mặt trời lặn, hệ thống dự trữ bắt đầu hoạt động. Về cơ bản thì
hệ thống vận hành như sau: Hệ thống hấp thụ ánh sáng mặt trời ở Andasol 1 lớn đến mức nó có khả năng hấp thu
lượng năng lượng gấp hai lần nhu cầu vào ban ngày. Lượng năng lượng dư thừa được chuyển đến bộ phận dự trữ bao
gồm rất nhiều thùng to chứa muối nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 260 độ C. Lượng muối này được bơm vào hệ thống
trao đổi nhiệt để hấp thụ một phần năng lượng nhiệt của dầu. Lượng muối này, sau khi trao đổi nhiệt với nhiệt độ
khoảng 400 độ C, sẽ được chuyển đến thùng tiếp theo để dự trữ, cho đến khi trời tối.

Khi nhà máy điện cần năng lượng nhiệt dự trữ, muối dự trữ sẽ được đưa quay trở lại và làm nóng dầu, sau đó lượng
muối nguội này sẽ quay trở lại bình đầu tiên. Và rồi cứ thế hệ thống hoạt động cả ngày.
Khi sử dụng muối để dự trữ năng lượng, nhà máy điện có thể hoạt động với thời gian dài gấp đôi so với những nhà
máy điện mặt trời khác. Như trong trường hợp của nhà máy Andesol 1, năng lượng sinh ra gấp hơn 50% so với khi
không dùng hệ thống lưu trữ. Với phương pháp này, người ta hy vọng sẽ có thể làm giảm giá thành của nhà máy điện
mặt trời.
Ngoài ra, người ta đang có ý tưởng sẽ không sử dụng chất trung gian là dầu để làm nóng nữa, mà sẽ sử dụng trực tiếp
muối luôn, tham gia trực tiếp hai quá trình trao đổi nhiệt. Cát cũng sẽ là một nguyên liệu được xem xét để dự trữ nhiệt.
- Hiện nay, pin mặt trời hữu cơ đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Mặc dù hiệu suất của loại pin này vẫn thấp
hơn nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh thể (hiệu suất khoảng 5%), nhưng chúng có nhiều ưu điểm. Khác với
silicon tinh thể cần được sản xuất ở nhiệt độ rất cao, pin hữu cơ có thể được sản xuất dễ dàng, giá rẻ và ít tác động đến
môi trường. Trong những năm gần đây, với sự lỗ lực nghiên cứu, các nhà khoa học đã đạt được những bước tiến đầy ấn
tượng trong việc ứng dụng vật liệu hữu cơ vào pin mặt trời. Để tăng hiệu suất của pin thì cần cải thiện được việc hấp
thụ ánh sáng, sự truyền điện tích và độ bền của vật liệu. Bằng sự điều chỉnh hình thái cấu trúc nano cùng với sự phát
triển các vật liệu mới có khe năng lượng thấp, người ta hy vọng sẽ tạo được pin có hiệu suất đến 10%, hứa hẹn việc
thương mại hóa loại pin này.
- Pin mặt trời tinh thể nano: đó là sử dụng tinh thể nano TiO2 ứng dụng trong pin mặt trời như là hướng tiếp cận thích
hợp cho vấn đề giá thành sản phẩm. Ví dụ, Pin mặt trời tinh thể nano tẩm chất màu nhạy quang (dye-sensitized
nanocrystalline solar cells, DSSC), cấu tạo gồm điện cực anod, điện cực catod và hệ điện ly. Điện cực anod gồm có lớp
màng nano tinh thể TiO2 hấp phụ chất nhạy quang (Dye) phủ trên mặt đế thủy tinh dẫn điện. Điện cực catod gồm lớp
Pt phủ trên bề mặt đế thủy tinh dẫn. Các phân tử chất nhuộm màu sẽ chuyển sang trạng thái kích thích khi hấp thu ánh
sáng mặt trời, ở trạng thái kích thích này thì không bền, và các điện tử nhanh chóng di chuyển sang vị trí gần với vùng
dẫn của TiO2, chất màu nhạy quang nhanh chóng được bù đắp điện tử bị mất từ hệ chất điện giải. Điện tử sau khi đi
đến vùng dẫn của TiO2, cuối cùng là đi vào màng dẫn điện, và khi đó thông qua dây dẫn phía ngoài tạo thành dòng
quang điện. Tinh thể nano TiO2 solar cell có những thuận lợi là giá rẻ, quá trình chế tạo đơn giản và bền. Hiệu suất
quang điện ổn định ở 10%, và giá thành chế tạo chỉ bằng khoảng 1/5 đến 1/10 so với pin mặt trời silicon. Tuổi thọ có
thể lên đến hơn 20 năm.
Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực

lớn. Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu. Tuy nhiên, Quá
trình nghiên cứu và phát triển loại pin này chỉ còn đang mới bắt đầu chớm nở, nên loại pin mặt trời này được đánh giá
đang trong tiến trình thương mại hóa.
- Các nhà khoa học thuộc công ty Technique Solar vừa đạt được một bước tiến mới, bằng việc sử dụng công nghệ tạo
ra cách thức mới trong việc tập trung tia sáng mặt trời, tạo ra những tấm pin mặt trời hiệu quả hơn gấp bốn lần và rẻ
hơn ba lần so với các loại pin mặt trời hiện nay. Mỗi modun bao gồm 9 máng lõm, được gộp từ các thấu kính làm bằng
acrylic nhằm hội tụ ánh sáng, và các tấm gương phản xạ nhằm tập trung tia sáng mặt trời vào một dải pin quang điện.
Cách phân bố trên giúp làm giảm được 75% số pin quang điện như các loại pin mặt trời hiện nay.
Các pin quang điện được sử dụng để tạo ra điện, trong khi các bình đối lưu nhiệt đặt dưới chúng dùng để tạo ra nhiệt
thông qua hiện tượng đối lưu; ngoài ra còn các bình trữ nước nóng. Để tối đa hóa lượng ánh sáng mặt trời thu được,
các tấm pin mặt trời còn có một cơ chế tự hành, gồm các cảm biến chuyển động hướng theo mặt trời như những bông
hoa hướng dương.
-Pin mặt trời mới cho ra cả điện năng và nhiệt năng. Tổng nguồn năng lượng đầu ra của nó bao gồm cả điện năng và
nhiệt năng, chứ không chỉ là điện năng như các loại pin thông thường. Tấm năng lượng mới tiêu chuẩn CUESS sản
sinh ra 2.100 W, bao gồm 400 W điện năng và 1.700 nhiệt năng. Công suất này của pin mặt trời với công nghệ CUESS
làm tăng hiệu năng khoảng 28-50% so với loại thông thường. Loại pin mới sẽ được tập trung sản xuất cho hộ dân cư,
khu thương mại, công nghiệp như một nguồn cung cấp năng lượng phụ.
-Ô nhiễm chì là một vấn đề rất nghiêm trọng, đặc biệt là khi có hàng ngàn ắc quy ô tô cũ không dùng đến do những
bước tiến trong công nghệ sử dụng ắc quy ngày nay. Để tránh lãng phí và bảo vệ môi trường, các nhà nghiên cứu tại
Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một phương pháp mới tái chế ắc quy thành các tấm năng lượng mặt
trời cực kì hiệu quả, thay vì tạo thành ắc quy mới cho ô tô. Một ắc quy từ chiếc xe cũ có thể tái chế thành tấm pin mặt
trời giá rẻ có thể cấp năng lượng cho 30 hộ gia đình trung bình. Để làm điều này, các nhà nghiên cứu đã tách chì ra
khỏi ắc quy và dùng nó để sản xuất pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite, một hợp chất cho hiệu quả hơn 19 % so
với vật liệu thông thường. Theo các nhà nghiên cứu MIT, mỗi pin mặt trời cần một tấm perovskite siêu mỏng khoảng
1/2 micromet. Một ắc quy xe cung cấp đủ năng lượng cho nhiều ngôi nhà, và nó cũng có thể tiếp tục tái chế lại.
Những tấm năng lượng mặt trời được sản xuất từ ắc quy ô tô cũ sau đó được tái sử dụng làm thành các pin mặt trời
mới, tránh ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, quá trình này đơn giản hơn và rẻ hơn so với sản xuất tấm năng lượng mặt trời
bằng silic thông thường.

- Mỹ: đã chế tạo được pin năng lượng Mặt Trời hoàn toàn trong suốt. Đây hứa hẹn sẽ tạo nên một cuộc cách mạng
trong việc tích hợp pin năng lượng Mặt Trời ngay trên màn hình điện thoại, máy tính hoặc sử dụng cho các công trình
xây dựng nhằm tạo ra điện năng nhưng vẫn đảm bảo tính trong suốt không làm cản trở tầm nhìn của con người.
Do loại vật liệu trên không hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng nằng trong quang phổ khả kiến nên hệ thống pin sẽ hoàn toàn
trong suốt khi nhìn bằng mắt người. Đồng thời, các phân tử hữu cơ có thể được tích hợp vào nhiều loại vật liệu trong
suốt khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng, thậm chí là dùng cho màn hình dẻo,….
Hiện tại, hiệu suất chuyển đổi năng lượng Mặt Trời của hệ thống trên là vào khoảng 1%. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu
hứa hẹn sẽ tiếp tục hoàn thiện để nâng hiệu suất chuyển đổi lên 5% hoặc thậm chí là 8% khi hoàn thiện. Đồng thời,
phương pháp sản xuất cũng được cải tiến theo hướng đơn giản và có giá thành rẻ hướng đến việc chính thức thương
mại hóa trong tương lai không xa.
- Chính phủ cần trợ giá, hổ trỡ cho người dân chi phí để sử dụng năng lượng mặt trời, nên kêu gọi đầu tư theo mô hình
trái phiếu xanh tại các doanh nghiệp xanh với mức lợi nhuận cao hơn so với các loại trái phiếu, cổ phiếu thông thường
để thu hút nhà đầu tư vào các doanh nghiệp năng lượng tái tạo. Chính phủ cũng cần áp dụng mức thuế cao với các
doanh nghiệp gây ô nhiễm môi trường, làm ảnh hưởng đến quá trình xanh hóa nền sản xuất công nghiệp…

-

Câu 5: Trình bày nguyên lý hoạt động và vai trò của pin sạc liti, và các hướng cải tiến pin liti nhằm
phục vụ các lĩnh vực có nhu cầu mật độ công suất và năng lượng cao, chẳng hạn như xe ô tô điện.
Nguyên lý hoạt động:
. Riêng đối với pin sạc, sự chuyển hóa này là thuận nghịch. Phản ứng tổng này được chia thành hai nửa phản
ứng, mỗi nửa phản ứng bao gồm phản ứng với Li hoặc loại Li, hoặc ion Li từ các vật liệu hoạt động. Khi
chuyển hóa, phản ứng khử (thu các eletron và ion Li) xảy ra ở catốt, trong khi quá trình oxy hóa (mất
electron và ion Li) xảy ra ở anốt khi phản ứng phóng điện của pin để cung cấp năng lượng. Để điều khiển tốc
độ chuyển electron, catốt phải được cách li về mặt vật lí và điện đối với anốt bởi sử dụng một môi trường dẫn
ion nhưng cách điện, một cách điển hình, chất điện giải polyme hoặc lỏng. Thông thường một chất phân cách
cách điện, xốp được sử dụng để tách cơ học giữa hai điện cực tránh ngắt mạch.
Phản ứng hóa học tổng ứng dụng trong sinh dòng của các pin Li-ion là:
0,5 Li + Li1.5Co2O4 ↔ 2LiCoO2
Ở trạng thái nạp bão hòa, Li được lưu trong vật liệu anốt (như graphit chẳng hạn). Trong quá trình hoạt động,

Li chuyển từ anốt qua chất điện giải đến catốt dưới dạng ion Li và chèn vào trong catốt (chẳng hạn như
Li1.5Co2O4). Đồng thời các electron từ anốt (oxi hóa) được chuyển qua mạch ngoài, tạo dòng cho nguồn và
vào catốt. Quá trình phóng điện tiếp tục đến khi chênh lệch thế giữa hai điện cực trở nên rất thấp, tại thời
điểm này pin phóng điện hoàn toàn. Quá trình này là thuận nghịch trong quá trình nạp điện.
3, các hướng cải tiến pin liti:
Vai trò của pin sac:
- Khác với các loại pin trước đó, pin Li-ion cho phép người dùng sạc bất cứ lúc nào, bất kể trạng thái hiện tại
của nó còn hay hết điện. Và người dùng cũng có thể xả (ngưng sạc) bất cứ lúc nào mà không cần đợi nó phải
được sạc đầy như các loại pin khác.
- Với cùng điều kiện nhiệt độ, pin Li-ion khi không sử dụng không đòi hỏi phải sạc đầy trước khi cất trữ và
thời gian lưu trữ dài hơn. Chẳng hạn, với dụng lượng sạc 40% (đây cũng là điều kiện tối ưu), pin li-ion có thể
được lưu trữ từ 12 đến 18 tháng ở nhiệt độ 0 - 25 độ C (nhiệt độ càng cao thời gian lưu trữ càng giảm). Nó
cũng cho phép xả kiệt (deeply discharge) một số giới hạn lần, tuy không nhiều nhưng "dễ dãi" hơn nhiều so
với pin Ni-Cad hay pin Chì-axit.
- Pin Li-ion có tuổi thọ tiêu chuẩn trong khoảng 2-3 năm, tương ứng với 300-500 chu kỳ sạc-xả. Mặc dù có
những ưu điểm vượt trội như trên nhưng pin Li-ion cũng đòi hỏi tuân thủ một số qui định về sử dụng để giúp
kéo dài tuổi thọ.
* Thay đổi thành phần hóa học: tái bố trí thành phần hóa học của loại pin lithium-ion thường dùng để
có thêm cát (hay còn có tên gọi khác là silic đioxit). Bằng cách thay thế than chì (graphit) trong các loại
pin hiện giờ bằng cát, họ đã đạt được mức mật độ điện năng nhiều gấp 3-4 lần so với mật độ hiện có
trong khuôn thiết kế tương tự.
* các nhà nghiên cứu đã có thể tăng khả năng lưu trữ năng lượng của pin lithium-air mà không làm thay đổi
trọng lượng với việc thay thế các điện cực bằng sợi cacbon. Pin lithium-air mang lại mật độ năng lượng cao
chính là nhờ vào mối liên kết giữa điện cực dương bằng lithium và oxy trong không khí thông qua một điện
cực âm bằng cacbon có cấu trúc lỗ hổng. Trong quá trình xả pin, các ion lithium sẽ "trôi" từ điện cực dương
thông qua chất điện phân và kết hợp với oxy để hình thành lithium oxit đến điện cực âm. Và trong quá trình
sạc, lithium oxit tiếp tục chia tách thành lithium và oxy, quy trình tương tự sẽ có thể bắt đầu trở lại.


Câu 6:

11.2. Vài nét chung về nhu cầu năng lượng của thế giới
Một là, nhu cầu về năng lượng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua.
Thứ hai là, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến
năm 2010. Thứ ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng
không giống nhau.
Tài liệu của Cơ quan Thông tin Năng lượng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ tất cả các
nguồn năng lượng đang có xu hướng tăng nhanh. Giá của các năng lượng hóa thạch dùng cũng
vẫn rẻ hơn so với các nguồn năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo hay năng lượng các dạng
năng lượng hoàn nguyên khác (renewable energy). Các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế
giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là những vấn đề môi trường nảy sinh trong quá trình khai
thác đã dẫn đến việc khuyến khích sử dụng năng lượng hoàn nguyên để giảm bớt sự ô nhiễm
môi trường và tránh gây cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Nhưng do chưa có những điều
luật cụ thể về vấn đề này, nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên vẫn được coi là nguồn nhiên
liệu chủ yếu để nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng lượng và chính điều đó sẽ dẫn đến sự
cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch trong một thời gian không xa.
- Nhu cầu về dầu mỏ
Nguồn tài nguyên thiên nhiên từ biển đã trở thành tiêu điểm cạnh tranh quốc tế. Dầu mỏ vẫn
được coi là nguồn năng lượng chính cho toàn thế giới tới năm 2025. Thống kê của IEO2004
cho thấy, với nhu cầu đòi hỏi về dầu mỏ tăng lên 1,9% mỗi năm thì trong vòng 24 năm tới,
mức tiêu thụ 77 triệu thùng/ngày năm 2001 sẽ tăng lên tới 121 triệu thùng/ngày vào năm 2025,
mà nhu cầu lớn nhất sẽ là từ Mỹ và các nước đang phát triển ở châu Á như Ấn Độ, Trung
Quốc… Các quốc gia này có thể sẽ chiếm tới 60% nhu cầu của thế giới.
Trong các nước sản xuất dầu mỏ ngoài OPEC, Việt Nam cũng được coi là một nước có tiềm năng lâu dài về
sản xuất dầu mỏ mặc dù hoạt động tìm kiếm thăm dò chậm hơn so với mong đợi nhưng lượng dầu khí khai
thác được từ các mỏ trên thềm lục địa Việt Nam được trông chờ là sẽ vượt quá 375.000 thùng/ngày vào năm
2015.
11.3.2. Khí tự nhiên
Cùng với dầu mỏ, gần đây, khí thiên nhiên đã và đang được coi là một trong những nguồn nhiên liệu có
nhu cầu tiêu thụ rất lớn trên thế giới với nhu cầu hàng năm tăng nhanh nhất, trung bình 2,2% kể từ năm 2001
đến 2025, so với nhu cầu tiêu thụ tăng 1,9% đối với dầu mỏ hàng năm và 1,6% hàng năm đối với than. Nhu

cầu tiêu thụ khí thiên nhiên vào năm 2025 ước tính sẽ là 151 nghìn tỷ feet khối, tăng lên gần 70% so với nhu
cầu tiêu thụ của năm 2001 (khi đó là 90 nghìn tỷ feet khối, xem hình 11.13). Như vậy, mức tiêu thụ khí thiên
nhiên trong tổng các loại năng lượng tiêu thụ sẽ tăng từ 23% năm 2001 lên 25% vào năm 2025.
Cho dù mức độ tiêu thụ khí thiên nhiên tăng cao, đặc biệt là trong thập niên vừa qua, thì trữ lượng khí để sản
xuất sản phẩm khí thiên nhiên ở hầu hết các khu vực vẫn còn khá lớn và ước tính sẽ dùng được trong khoảng
60,7 năm nữa.
Từ đây chúng ta cũng cần đặt ra vấn đề làm thế nào để khai thác được tiềm năng của khí tự nhiên để thay thế
cho dầu mỏ trong thời gian trước mắt.
11.3.3. Than
Là nguồn nhiên liệu hóa thạch được sử dụng từ lâu nhất trên thế giới. Tổng trữ lượng than trên toàn thế
giới được ước tính khoảng 1.083 tỷ tấn, đủ cung cấp cho khoảng 210 năm nữa với mức tiêu thụ như hiện nay
Đứng trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, các nước trên thế giới đang cố gắng
khai thác thêm các nguồn nhiên liệu khác như hạt nhân, thủy lực, nguyên liệu gió, sinh học, năng lượng mặt
trời, địa nhiệt, thủy triều hay pin năng lượng mat troi.
* Các giải pháp về nguồn năng lượng thay thế có khả năng tái sinh, thân thiện với môi trường:
năng lượng đến từ gió và ánh sáng mặt trời là tương đối an toàn. Ngoài ra, còn có việc truy tìm nguồn thay
thế cho dầu khí, đó là nguồn hóa chất methanol, ethanol và các chất phế thải gia cư và kỹ nghệ. Đó là các
nguồn năng lượng sạch vừa giải quyết và thay thế các nguồn năng lượng thiên nhiên sắp bị cạn kiệt, và nhất


là bảo vệ môi trường thiên nhiên, đồng thời giải quyết phần nào ô nhiễm môi trường do con người tạo ra.
Và năng lượng trong tương lai
- Năng lượng sinh khối (biomass) hay còn gọi là năng lượng vi sinh (biogas): đây là một loại năng lượng tái
tạo đặc biệt vì loại năng lượng này có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt, xăng dầu cho các hệ thống giao thông
như xe cộ, xe lửa, thậm chí nguyên liệu cho máy bay. Có hai loại năng lượng sinh khối là rượu ethanol và
dầu diesel sinh học (biodiesel).
Ethanol hay rượu cồn là do sự lên men của các loại chứa carbohydrat cao như tinh bột, đường và các sợi
cellulose thực vật. Ethanol là hóa chất cần thiết để pha trộn vào xăng chạy xe để làm giảm thiểu lượng
carbon monoxide (CO) thải hồi vào không khí. Hiện tại lượng rượu có thể trộn lẫn vào xăng lên đến 85% thể
tích. Còn diesel sinh học là do sự pha trộn giữa rượu và dầu thực vật hay động vật. Hỗn hợp này có thể làm

giảm 20% khí CO so với việc sử dụng diesel cổ điển.
Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy điện từ biomass trên thế giới đều áp dụng phương pháp đốt trực tiếp. Còn
năng lượng sinh khối từ các phế thải động vật sản xuất ra hơi nóng sau khi đốt và hơi nóng sẽ chạy qua một
turbine và máy phát điện để biến cải thành điện năng
- Còn năng lượng từ sức nóng của địa cầu hay địa nhiệt đã được nghiên cứu qua nhiều công nghệ khai triển
loại năng lượng này để biến thành điện năng, hoặc dùng để sưởi nóng các quy trình công nghệ cần nhiệt độ
cao. Đây cũng là một loại năng lượng tái tạo từ thiên nhiên. Hoa Kỳ đang thử nghiệm loại năng lượng này ở
Nevada, và đã có nhiều kết quả rất khích lệ.
- Năng lượng hydro: Hydrogen là một nguyên tố chiếm tỷ lệ cao nhất so với tất cả các nguyên tố khác trên
địa cầu. Nhưng hydrogen không hiện diện dưới dạng nguyên tử hay phân tử mà dưới dạng hợp chất với các
nguyên tố khác như nước gồm có hai hydrogen và một oxygen. Do đó một khi hydrogen được tách rời, sẽ
biến thành một nguồn cung cấp nhiệt năng rất lớn và là một loại năng lượng sạch. Hydrogen có thể tách rời
qua sự điện giải nước (H2O). Trong thiên nhiên, một số rong rêu và vi khuẩn, qua sự tiếp hợp của ánh sáng
mặt trời có thể phóng thích ra hydrogen. Đây là một loại năng lượng không làm ô nhiễm môi truong.