Nghiên cứu nâng cao hiệu suất của pin mặt trời dùng một số sắc tố quang hợp

  • Số trang: 26 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 69 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 24000 tài liệu

Mô tả:

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT HÀ NỘI – AMSTERDAM Quận Cầu Giấy ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ NĂM HỌC 2014 - 2015 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI DÙNG MỘT SỐ SẮC TỐ QUANG HỢP Lĩnh vực: Năng lượng và vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Thạc sĩ Đặng Minh Tuấn - Đơn vị công tác: Trường THPT Hà Nội -Amsterdam TÁC GIẢ: 1. Đậu Hoàng Quân – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam 2. Trần Duy Anh Nguyên – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam Hà Nội,23 tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC Phần I: Lý do chọn đề tài Phần II: Tổng quan đề tài nghiên cứu Phần III: Nghiên cứu và kết quả Phần IV: Kết luận Tài liệu tham khảo PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1. Vấn đề về môi trường Nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt đồng thời gây tác động xấu đến môi trường và xã hội. Năng lượng thủy điện và điện hạt nhân tiềm ẩn những rủi ro với hệ sinh thái và sự an toàn của con người. Năng lượng sạch nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng là giải pháp cho nhu cầu về năng lượng ngày càng cao của con người. Năng lượng mặt trời có nhiều, hầu như có thể khai thác ở mọi nơi trên trái đất, gần như không có tác động tiêu cực với môi trường và sinh vật sống. 2. Vấn đề về mặt kinh tế và ảnh hưởng của pin mặt trời hiện tại Vấn đề với điện mặt trời hiện tại là hiệu suất chưa cao, giá thành đắt do sử dụng các nguyên liệu hiếm và tổng hợp nên không nhiều quốc gia có thể tiếp cận. Pin mặt trời silic thông thường đang được sử dụng có giá cao, quá trình sản xuất pin gây ô nhiễm. Đối với pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng thì chất nhạy sáng phổ biến hiện tại là chất nhạy sáng Ruthenium. Tuy có hiệu suất cao nhưng quá trình tổng hợp chất nhạy sáng ruthenium phức tạp, giá chất nhạy sáng cao do ruthenium là kim loại hiếm và bản thân chất nhạy sáng này cũng gây hại với môi trường. Vậy pin mặt trời với giá thành rẻ, xuất phát từ các nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên, không gây hại cho môi trường với quá trình chuẩn bị đơn giản là một giải pháp cho pin mặt trời trong tương lai. PHẦN II: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Đề tài nghiên cứu Đề tài nghiên cứu dựa vào cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC – Graetzel, 1991) và cấu trúc pin mặt sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (ERD DSSC – Hardin et al, 2009). Đề tài tập trung vào nghiên cứu chất nhạy sáng trong pin là sắc tố quang hợp với pheophorbide a và chlorophyllide trong vai trò chất nhạy sáng gắn trên màng bán dẫn TiO 2; protein sắc tố quang hợp phycobiliprotein trong vai trò chất nhạy sáng truyền năng lượng. Cấu trúc này gần giống với cấu trúc của hệ hấp thụ năng lượng ánh sáng trong cây với phycobiliprotein hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng Forster (FRET) cho chlorophyll. 2. Mục đích nghiên cứu Tìm ra hướng mới trong lĩnh vực pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng bằng cách ứng dụng phycobiliprotein với vai trò như trong tự nhiên, các chất nhạy sáng sử dụng trong pin là các thành phần có sẵn trong tự nhiên, không độc hại, với quá trình chuẩn bị và tổng hợp đơn giản cùng hiệu suất cao nhất có thể. Đóng góp vào quá trình tìm ra phương thức tối ưu về mặt hiệu suất và sự thân thiện với môi trường để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 1. Lý thuyết 1.1. Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng ( Dye Sensitized Solar Cell hay DSSC ) là một loại pin mặt trời giá rẻ thuộc loại pin mặt trời film mỏng. Loại pin này còn được gọi là pin Graetzel do Brian O'Regan và Michael Graetzel sáng chế vào năm 1988. Pin được cấu tạo từ hai lớp kính dẫn điện anode có chứa chất nhạy sáng, ở giữa là dung môi và một bộ phận điện hóa. Hiện giờ hiệu suất cao nhất là 11%, điều này đã mở ra một lĩnh vực triển vọng để thay thế các nguồn năng lượng cũ. Hình3.1.Biểu đồ năng lượng và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (.Kohjiro Hara & Hironori Arakawa) Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC) mô phỏng quá trình hấp thụ năng lượng ở lá cây và thực vật quang hợp trong tự nhiên. Cấu tạo của DSSC gồm 2 điện cực, 1 điện cực có gắn lớp bán dẫnTiO 2 (titan dioxit) trên bề mặt TiO2 có gắn chất nhạy sáng với chức năng hấp thụ ánh sáng, điên cực còn lại được phủ lớp Platin là chất xúc tác cho quá trình I3- + 2e-→ 3I.. Hai điện cực này gồm kính được phủ một lớp oxit dẫn điện (Transparent Conducting Oxide/TCO), FTO (SnO2:F) thường được sử dụng. Chất điện ly thông thường gồm dung môi (ví dụ Acetonitrile, Methanol,..) có chứa cặp chất khử (I 3-/I-) có nhiệm vụ trả lại electron cho chất nhạy sáng. Nguyên lý hoạt động của DSSC có thể tóm tắt như sau: chất nhạy sáng hấp thụ photon và đẩy electron trong chất nhạy sáng lên mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích – excited state). Electron trong chất nhạy sáng đang ở trạng thái kích thích đẩy electron vào lớp bán dẫn TiO 2 do sự chênh lệch về mức năng lượng giữa trạng thái kích thích của electron và vùng dẫn của TiO 2. Electron khuếch tán trong lớp bán dẫn TiO2 tới điện cực.Electron đi qua dây dẫn ngoài tới điện cực đối.Tại điện cực đối electron khử I 3- thành I- với Pt xúc tác I3- + 2e→ 3I-. Chất nhạy sáng nhận electron từ I-, I- bị oxi hóa thành I3-, kết thúc một chu trình. Sắc tố quang hợp (Pheophorbide a, chlorophyllide & Phycocyanin) sử dụng trong pin theo mô hình của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng đã được đưa ra bởi Brian. E. Hardin và cộng sự trong một báo cáo năm 2009. Hình 3.2. Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (B.E. Hardin et al, 2013) (1) Chất nhạy sáng trên TiO2 và (2) Chất nhạy sáng truyền năng lượng Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (energy relay dye – ERD DSSC) phần lớn giống với cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC), điểm khác biệt nằm ở chất nhạy sáng truyền năng lượng được thêm vào chất điện ly. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng cũng giống với nguyên lý hoạt động đã nói đến ở chương 1, nhưng thay vì chỉ có một chất nhạy sáng gắn vào lớp TiO 2 để hấp thụ năng lượng ánh sáng, pin mặt trời loại này có thêm quá trình truyền năng lượng từ chất nhạy sáng truyền năng lượng (energy relay dye) sang chất nhạy sáng gắn trên TiO2 theo cơ chế FRET ( Foerster Resonant Energy Transfer) vì đặc điểm chất nhạy sáng này có khả năng tiếp nhận năng lượng từ ánh sang mặt trời và truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng . Vậy photon có thể được hấp thụ theo hai con đường: (1) hấp thụ bởi chất nhạy sáng gắn trên TiO2 và (2) hấp thụ bởi chất nhạy sáng truyền năng lượng. Ưu điểm của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng so với pin mặt trời không sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng: (1) pin mặt trời hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn do có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều bước sóng khác nhau, (2) hai chất nhạy sáng trong pin có thể có mức hấp thụ cao hơn bởi thường những chất có khả năng hấp thụ nhiều bước sóng thì khả năng hấp thụ tại một bước sóng nhất định lại không cao (3) sử dụng thêm chất nhạy sáng truyền năng lượng làm tăng cường độ dòng điện đầu ra của pin mà không làm ảnh hưởng nhiều đến các thông số khác trong pin mặt trời như hệ số điền đầy hay hiệu điện thế dòng mạch hở, từ đó làm tăng hiệu suất của pin mặt trời. Hiện nay, các chất nhạy sáng của loại pin này mới là các chất hữu cơ được tổng hợp, chất nhạy sáng thường được dùng là TT1 còn chất nhạy sáng truyền năng lượng đang được thử nghiệm với nhiều các hợp chất hữu cơ ví dụ PTCDI, BL315, BL 302 hay DCM . Vậy lý thuyết chính của pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp dựa trên lý thuyết về khả năng hấp thụ và truyền electron của chất nhạy sáng gắn trên TiO2 và khả năng truyền năng lượng của chất nhạy sáng truyền năng lượng theo cơ chế FRET. 1.2. Cơ sở lý thuyết: 1.2.1. Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) là cơ chế truyền năng lượng không phát xạ và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử chất tham gia quá trình truyền năng lượng. Chất tham gia quá trình truyền năng lượng cộng hưởng bao gồm một chất cho và một chất nhận. Chất cho và chất nhận đều phải có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng, ngoài ra chất cho còn phải có khả năng huỳnh quang. Chất nhận không nhất thiết phải có khả năng huỳnh quang nhưng phần lớn trong các trường hợp chất cho và chất nhận đều có khả năng huỳnh quang. Trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng, chất cho ở trạng thái kích thích truyền năng lượng sang chất nhận qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực. Nguyên lý cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Ban đầu, chất cho hấp thụ năng lượng do được kích thích bởi một số bước sóng nhất định và sau đó truyền năng lượng kích thích đó tới phân tử chất nhận nằm gần đó. Tóm tắt quá trình truyền năng lượng cộng hưởng với D là chất cho (donor) và A là chất nhận (acceptor) : D + hν → D* D* + A → D + A* Quá trình truyền năng lượng tự diễn biến qua sự dập tắt của chất cho và giảm thời gian sống ở trạng thái kích thích kết hợp với sự tăng cường độ huỳnh quang của chất nhận. Hình 2.4 là giản đồ Jablonski miêu tả quá trình truyền năng lượng cộng hưởng gồm có sự chuyển dịch đồng thời của trạng thái kích thích ở chất nhận về trạng thái cơ bản và sự chuyển dịch từ trạng thái cơ bản của chất nhận lên trạng thái kích thích. Với sự có mặt của chất nhận phù hợp, phân tử chất cho có thể chuyển năng lượng kích thích của nó trực tiếp sang chất nhận mà không phát ra photon. Hình 3.3. Giản đồ Jablonski của quá trình truyền năng lượng theo FRET Hình 3.4. Phổ hấp thụ (màu đỏ) và huỳnh quang (màu xanh) của một cặp chất cho – chất nhận. Phần được tô màu nâu là vùng phổ trùng lặp giữa phổ huỳnh quang của chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận. Có một số điều kiện cần được thỏa mãn để xảy ra quá trình truyền năng lượng cộng hưởng. Các điều kiện đó bao gồm (1) phổ huỳnh quang của phân tử chất cho phải trùng với phổ hấp thụ hay phổ kích thích của phân tử chất nhận (mức độ trùng lặp của phổ huỳnh quang chất cho và phổ hấp thụ chất nhận được biểu thị bằng tích phân phổ trùng lặp – J); (2) hai phân tử chất huỳnh quang tham gia quá trình truyền năng lượng phải nằm gần nhau (thường là 1 – 10 nm); (3) lưỡng cực chuyển đổi của chất cho và chất nhận phải gần song song với nhau; (4) thời gian sống huỳnh quang của phân tử chất cho phải đủ dài để quá trình truyền năng lượng xảy ra. Hiệu suất lượng tử của quá trình chuyển giao năng lượng chuyển tiếp Hiệu suất của quá trình chuyển năng lượng Khoảng cách Forster Tích phân phổ trùng lặp của chất cho và chất nhận Bảng 3.1. Các công thức FRET Với các ký hiệu lần lượt: trình phát huỳnh quang, :tốc độ truyền năng lượng, : hằng số tốc độ của các quá trình trở về trạng thái ban đầu, : khoảng cách giữa hai phân tử, của chất cho khi không có chất nhận, suất của môi trường, và chất nhận, : tốc độ qua : hiệu suất huỳnh quang lượng tử : yếu tố định hướng lưỡng cực, n: chiết : số Avogadro, : tích phân phổ trùng lặp giữa chất cho : phổ phát xạ chuẩn hóa của chất cho , : hệ số hấp thụ phân tử của chất nhận. Khoảng cách Forster (hay bán kính Forster - ) là khoảng cách mà tại đó một nửa năng lượng kích thích của chất cho được truyền sang chất nhận, hay tại đó mà hiệu suất truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng là 50%. Tóm lại, hiệu suất của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng FRET phụ thuộc vào mức độ phổ trùng lặp giữa cặp chất cho – chất nhận, hiệu suất lượng tử của chất cho, yếu tố định hướng lưỡng cực giữa chất cho – chất nhận và khoảng cách giữa hai phân tử chất cho – chất nhận. Bất cứ qua trình hay tương tác nào ảnh hưởng đến khoảng cách giữa cặp chất cho – chất nhận đều ảnh hưởng đến hiệu suất của FRET. 1.2.2. Sắc tố quang hợp: Sắc tố quang hợp có cây, tảo và vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận năng lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp. Vì sắc tố quang hợp chỉ hấp thụ được một số bước sóng nhất định nên trong lục lạp hay vi khuẩn quang hợp thường có một số loại sắc tố kết hợp với nhau để hấp thụ được nhiều năng lượng ánh sáng hơn. Có ba loại sắc tố quang hợp chính là chlorophyll, carotenoid và phycobiliprotein. Mỗi loại sắc tố có cấu tạo đặc trưng với khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau để phục vụ cho quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng với hiệu quả cao nhất. Chlorophyll là sắc tố màu xanh, có khả năng hấp thụ tốt trong khoảng bước sóng 400 – 450 nm (với đỉnh 430 nm) và 625 – 675 (với đỉnh 662 nm). Phân tử chlorophyll có chứa vòng porphyrin, cấu trúc dạng vòng bền cho phép electron di chuyển tự do trong phân tử. Vì electron có thể di chuyển tự do trong phân tử nên vòng porphyrin có khả năng nhận hoặc cho electron dễ dàng, giúp các phân tử bên cạnh nhận được electron. Trong tự nhiên có nhiều loại chlorophyll nhưng quan trọng nhất là chlorophyll a (hình 2.4). Đây là chlorophyll nằm cuối chuỗi chuyền năng lượng trong protein quang hợp và nằm ở đầu chuỗi truyền electron với chất nhận cuối cùng là phân tử tạo đường – một sản phẩm của quá trình quang hợp. Hình 3.5.Chlorophyll a Hình 3.6. Carotenoid Carotenoid là sắc tố có màu vàng, cam hoặc đỏ, hấp thụ tốt trong khoảng bước sóng 400 – 550 nm. Hợp chất gồm hai vòng cacbon sáu cạnh được nối với nhau bởi một chuỗi nguyên tử cacbon. Với cấu tạo như carotenoid không tan được trong nước vì thế trong tự nhiên carotenoid được gắn trên màng. Carotenoid không thể trực tiếp truyền năng lượng trong chuỗi quang hợp mà phải truyền năng lượng hấp thu được cho chlorophyll bởi vậy carotenoid là sắc tố bổ trợ cho sắc tố chính là chlorophyll. Phycobiliprotein là sắc tố tan được trong nước, thường được tìm thấy ở tế bào chất hoặc trong stroma của lục lạp. Chỉ vi khuẩn lam và một số loại tảo (tảo đỏ, tảo lục lam…) mới có phycobiliprotein. Phycobiliprotein có khả năng hấp thụ ánh sáng là do có các phân tử phycobilin (Phycoerythrobilin – màu đỏ, Phycourobilin – màu cam, Phycoviolobilin, Phycoerythrocyanin, Phycocyanobilin – màu xanh) liên kết với các protein để tạo thành một hệ hoàn chỉnh với khả năng hấp thụ ánh sáng và huỳnh quang mạnh. Các phycobilin khác nhau có khả năng hấp thụ tại các bước sóng riêng biệt khác nhau. Phycobiliprotein trong tự nhiên tập hợp thành một cụm là phycobilisome gắn trên màng thylakoid. Phycobiliprotein có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng trong khoảng 450 nm – 650 nm – những bước sóng chlorophyll không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu – sau đó truyền năng lượng cho chlorophyll để tiếp tục quá trình quang hợp. Hình 3.7.Phycobilisome gắn trên màng thylakoid cấu trúc trong tự nhiên Phycobiliprotein gồm ba loại chính là Phycoerythrin (PE), Phycocyanin (PC), và Allophycocyanin (APC). Do sự khác biệt trong số lượng và tỉ lệ của các phycobilin mà từng loại phycobiliprotein có khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau và trải đều trong khoảng 450 nm – 650 nm. Mỗi loại phycobiliprotein được chia thành nhiều loại nhỏ hơn, ví dụ đối với phycoerythrin có B-Phycoerythrin, R-Phycoerythrin, hay với Phycocyanin có C-Phycocyanin, R-Phycocyanin. Các loại Phycobiliprotein này có sự khác biệt về đỉnh hấp thụ hay hiệu suất lượng tử…, nhưng sự khác biệt này nhỏ hơn. Sự phân chia nàylàm cho quá trình hấp thụ ánh sáng trong tự nhiên diễn ra với hiệu suất cao do mỗi sắc tố protein chỉ đảm nhiệm hấp thụ ánh sáng cho một vùng bước sóng nhất định. Phycobiliprotein không chỉ có ích trong cơ thể sống mà còn được dùng như một hóa chất phục vụ nghiên cứu do khả năng phát huỳnh quang tại một số bước sóng nhất định. Nhờ tính chất này mà phycobiliprotein được dùng như chất đánh dấu. Một số thông số về một số loại phycobiliprotein được đưa ra trong bảng dưới đây. Phycobiliprotein Khối lượng phân tử (kDa) Đỉnh bước sóng hấp thụ(nm) /đỉnh bước sóng phát xạ (nm) Hiệu suất lượng tử (Hiệu suất phát quang) Hệ số hấp thụ phân tử tại bước sóng cao nhất (M1 .cm-1) R-Phycoerythrin 240 498.546.566 nm / 576 nm 0.84 1.53×106 B-Phycoerythrin 240 546.566 nm 576 nm 0.98 (545 nm) 2.4×106 / (563 nm) 2.33×106 651 nm / 232 620 nm / 642 nm 0.81 662 nm0.687.3×105 C-Phycocyanin 105 Allophycocyanin Bảng 3.2. Một số thông số về phycobiliprotein 1.2.2.1. Pheophorbide a 1.54×106 Pheophorbide a (phe a) là sản phẩm phân giải của chlorophyll a (chl a).Quá trình phân giải từ chl a thành phe a có thể chía làm hai bước.Bước là đuôi phytyl của chl a bị tách ra dưới tác dụng của enzyme chlorophyllase – enzyme có sẵn trong lá cây – tạo thành phytol (Hình 3.10) và pheophytin (Hình 3.9). Bước thứ hai là Mg ở nhân chl a bị tách ra trong môi trường axit. Sản phẩm sau đó được kết tinh phe a dạng tinh thể.Thứ tự của hai bước phân giải có thể đảo ngược cho nhau. Hình 3.8.Pheophorbide a Hình 3.10. Phytol Hình 3.9. Pheophytin Hình 3.11. Chlorophyllide a Pheophorbide a (phe a) có hai đỉnh hấp thụ ở bước sóng 410 nm (hệ số hấp thụ phân tử 93,257 M-1cm-1) và 668 nm (44,630 M-1cm-1) trong ethanol (Eichwurzel, 2000) so với Chlorophyll a (chl a) có hai đỉnh hấp thụ ở bước sóng 416.25 nm (111,094 M-1cm-1) và 659.5 nm (32,691 M-1cm-1) trong methanol (Strain, 1963) . Từ đó có thể thấy phe a có khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 600 nm – 700 nm tốt hơn chl a. Ngoài ra, phe a còn có gốc carboxyl ở vị trí đuôi phytyl của chl a, giúp pheo a có thể gắn được lên bề mặt TiO2. 1.2.2.2. Chlorophyllide Chlorophyllide (Hình 3.11) là một sản phẩm phân giải khác của chlorophyll bằng cách cắt đuôi phytol do enzyme chlorophyllase thực hiện. Trong tự nhiên, enzyme chlorophyllase thường có trong màng thylakoid. 1.2.2.3. Phycocyanin (PC) Phycocyanin là một protein sắc tố nằm trong tổ hợp hấp thụ ánh sáng phycobiliprotein, cùng với allophycocyanin và phycoerythrin. Các thông số về khả năng hấp thụ và huỳnh quang của phycocyanin đã được thể hiện trong bảng 2.1. Hình 3.12. Cấu tạo của phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin và allophycocyanin. 1.2.3. Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) gắn trên TiO2 và phycocyanin là chất nhạy sáng truyền năng lượng. Pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) và phycocyanin đáp ứng đủ điều kiện để tạo thành một cặp chất cho – chất nhận trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng. Ngoài ra, phycocyanin còn có một số ưu điểm khác so với các chất hữu cơ đã từng được sử dụng trong ERD DSSC đó là phycocyanin có hệ số hấp thụ phân tử (ở đỉnh hấp thụ) cao hơn khoảng 100 lần so với chất nhạy sáng truyền năng lượng hữu cơ như BL315 đã đề cập ở trên. Điều này có nghĩa rằng với cùng một nồng độ thì phycocyanin sẽ hấp thụ mạnh hơn BL315 khoảng 100 lần tại bước sóng hấp thụ cao nhất. Phycocyanin có hiệu suất lượng tử huỳnh quang cao (0.81 đối với C-Phycocyanin và 0.68 đối với Allophycocyanin – bảng 2.1) giúp nâng cao hiệu suất truyền năng lượng theo FRET (Phycocyanin trong tự nhiên cũng truyền năng lượng cho chlorophyll theo cơ chế tương tự). Và cuối cùng phycocyanin có sẵn trong tự nhiên có thể thu lại với quy trình tách chiết không quá phức tạp như quá trình tổng hợp chất nhạy sáng hữu cơ, không gây ra tác động xấu với môi trường. Lý thuyết áp dụng cơ chế FRET trong pin mặt trời được đưa ra bởi Eric T. Hoke, Brian E. Hardin, và Michael D. McGehee. Lý thuyết về cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng FRET được đưa ra ở phần 2.2.1 áp dụng cho một chất cho và một chất nhận. Trong hệ như pin mặt trời, khi có nhiều hơn một chất nhận năng lượng thì tổng tốc độ của quá trình truyền năng lượng bằng tổng của độ truyền năng lượng của mỗi chất nhận, với các chất nhận hoạt động độc lập với nhau (1). (1) (2) Bảng 3.3. Công thức FRET trong pin DSSC (Hardin et al.) Trong đó : tốc độ truyền năng lượng theo cơ chế FRET, sống của trạng thái kích thích của chất cho, : thời gian : vecto vị trí của chất cho, : vecto vị trí của chất nhận Trong hệ pin mặt trời, giả sử chất nhận năng lượng phân bố đều với mật độ dày đặc trên bề mặt của hạt TiO2 , biểu thị bằng CA – mật độ bề mặt – và chất cho năng lượng phân bố đều ở môi trường xung quanh. Nếu khoảng cách trung bình giữa mỗi phân tử chất cho và phân tử chất nhận nhỏ hơn khoảng cách Foerster (CAR0>> 1) thì từ phương trình trên có thể rút ra tốc độ truyền năng lượng phụ thuộc vào bề mặt của hạt TiO2 (2). 2. Thực nghiệm 2.1. Phycocyanin Phycocyanin được chiết xuất từ sinh khối Spirulina Plantesis khô sau đó được kiểm tra độ tinh sạch, nồng độ, hấp thụ và phổ huỳnh quang. 2.1.1. Chiết xuất Phycocyanin từ Spirulina Plantesis Sinh khối khô Spirulina Plantesis được ngâm 24h trong nước cất ở nhiệt độ 4°C, tỉ lệ 1/25 (w:v). Lấy hỗn hợp ly tâm ở tốc độ 12,000 rpm trong 15 phút, nhiệt độ 4°C để loại bỏ phần xác tế bào. Thu lấy dung dịch sau khi ly tâm, cho (NH4)2SO4 vào dung dịch tới nồng độ bão hòa 50% (thí nghiệm 1),nồng độ 25% và sau đó là 50% (thí nghiệm 2), để trong 2h để kết tủa phycobiliprotein. Hỗn hợp sau đó được ly tâm ở tốc tốc độ 12,000 rpm trong 30 phút, nhiệt độ 25°C. Loại bỏ phần dung dịch sau ly tâm, thu phần kết tủa. Hòa tan kết tủa vào dung môi nước cất – đệm phosphate 0.005 M để bảo quản protein. 2.1.2. Đo phổ hấp thụ của Phycocyanin Mục đích (1) xác định độ tinh sạch của Phycocyanin, (2) xác định nồng độ của Phycocyanin trong hỗn hợp sau chiết xuất, (3) xác định phổ hấp thụ của hỗn hợp trong bước sóng 300 nm – 900 nm. Phổ hấp thụ được đo với máy Shimadzu UV 1800. Đo phổ hấp thụ trên dải 300 nm – 900 nm, ở các bước sóng đơn sắc 280 nm, 615 nm, 620 nm, 650 nm, 652 nm. Độ tinh sạch của Phycocyanin được tính theo công thức. Nồng độ của C – Phycocyanin được bằng phương pháp Siegelman – Kycia 2.1.3. Đo phổ huỳnh quang của hỗn hợp Phycocyanin Mục đích: xác định phổ huỳnh quang của hỗn hợp, so sánh với các báo cáo liên quan, tính toán khả năng truyền năng lượng theo cơ chế FRET. Mẫu được kích thích bằng bước sóng 532 nm. 2.2. Chlorophyllide Chiết xuất Chlorophyll: Ngắt khoảng 6-7 lá chanh chuẩn bị già, rửa sạch bằng dung dịch nước cất, cắt nhỏ loại bỏ gân lá. Sau đó cho vào trong cối đá nhỏ, nghiền nát cùng cát sạch đến khi nát bấy. Hòa hỗn hợp đã nghiền cùng aceton 50mLvà quay siêu âm trong vòng 30 phút . Tiếp theo lấy hỗn hợp đã siêu âm quay ly tâm ở 12000 rpm trong 15 phút ở 4 độ C. Sau 15 phút loại bỏ phần xác tế bào thu dung dịch trong. Sau đó hòa thêm một lượng dung dịch đệm Phostphate pH 8.5 bằng đúng thể tích dung dịch thu được. Bảo quản dung dịch trong bong tối nhiệt độ 4 độ C. Điều chế Chlorophyllide: Ngắt khoảng 3,4 lá chanh cùng điều kiện như trên, rửa sạch bằng nước cất, cắt diện tích ( 0,5x0,5 mm) loại bỏ gân lá, rồi cho vào dung dịch thu được ở trên. Để hỗn hợp này trong tối nhiệt độ bình thường khoảng 1 ngày rồi bỏ lá chanh và cho vào trong nhiệt độ 4 độ C. 2.3. Pheophorbide a Pheophorbide a được lấy từ Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa hoc và Công nghệ Việt Nam dưới dạng tinh thể. Thí nghiệm đo phổ hấp thụ nhằm xác định phổ hấp thụ của pheophorbide a, tính toán hiệu suất truyền năng lượng theo FRET. Phổ hấp thụ được đo với máy Shimadzu UV 1800, đo phổ hấp thụ trên dải 300 nm – 900 nm. Tất cả phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang được đo tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2.4. Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Mục đích: thử nghiệm khả năng hoạt động của pheophorbide a, chlorophyllide và phycocyanin trong pin mặt trời, đo đạc và so sánh các thông số liên quan đến hiệu suất pin. Thí nghiệm: Thí nghiệm pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng gồm năm thí nghiệm. Thí nghiệm 1: pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi nước. Thí nghiệm 2: pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi nước với hệ đệm Na phosphate 0.0025 M và phycocyanin được chiết xuất lần đầu. Thí nghiệm 3: sử dụng pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO 2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi acetonitrile. Thí nghiệm 4: chlorophyllide làm chất nhạy sáng trên TiO2, chất điện ly là dung dịch KI – 0.1 M/I 2 – 0.05 M trong dung môi nước. Thí nghiệm 5: chlorophyllide làm chất nhạy sáng trên TiO2, chất điện ly gồm dung dịch KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi nước với hệ đệm Na phosphate 0.0025 M và phycocyanin được chiết xuất lần hai. 2.4.1. Công đoạn chế tạo pin Chuẩn bị điện cực TiO2 có chất nhạy sáng: Chuẩn bị hai mẫu TCO, phủ một lớp TiO2 nanoxide/ TP (Solaronix) lên bề mặt TCO ( diện tích 1.1cm) . Để khô trong khoảng 30 phút sau đó đưa vào lò, nâng dần nhiệt độ đến khi đạt 450°C.Để mẫu trong 2h ở nhiệt độ 450°C, sau đó đưa dần về nhiệt độ phòng. TCO/TiO2 được ngâm trong dung dịch pheophorbide a – 10-4 M trong acetone trong 24h với thí nghiệm 1,2,3; TCO/TiO2 được ngâm trong dung dịch chứa chlorophyllide trong thí nghiệm 4 và 5 (tránh ánh sáng trong khi ngâm). Rửa TCO/TiO2 sau khi ngâm bằng acetone. Chuẩn bị điện cực Pt: Chuẩn bị hai mẫu TCO đã khoan một lỗ, dùng pipet Satorius lấy 19µL dung dịch H2 PtCl6 rồi nhỏ dung dịch vào chính giữa mẫu TCO, sau đó để khô và nung giống như hai mẫu có TiO2 , sau đó đưa về nhiệt độ phòng. Ghép điện cực: chuẩn bị tấm sealant đã cắt hổng ở giữa diện tích 1cm2 , sau đó đặt khít tấm sealant vào vùng có TiO 2, rồi đặt điện cực Pt lên như hình sau: Hình 3.13(Solaronix) Tiếp theo nung ở nhiệt độ 150 độ trong 4 phút để tấm sealant chảy ra rồi để nguội ở nhiệt độ phòng. Chuẩn bị dung dịch điện ly: Dung dịch điện ly gồm KI và I2 (0.1/0.05M) trong dung môi nước cất. Đối với pin có chất nhạy sáng truyền năng lượng C – Phycocyanin, trong dung dịch điện ly còn có hệ đệm phosphate 0.0025 M. Hoàn thiện pin: Dùng ống tiêm cao su hút dung dịch điện ly rồi bơm vào lỗ đã khoan ở điện cực Pt, tiếp sau đó là dán mảnh sealant đã khoét để bít lỗ khoan. Pin được chiếu sáng bằng đèn halogen đối với thí nghiệm 1 và 2. Hiệu điện thể và cường độ dòng điện được ghi lại bởi máy Potentiostat galvanostat.Pin được chiếu sáng với Solar Simulator 1.5 AM trong thí nghiệm 3,4 và 5. Hiệu điện thế và cường độ dòng điện được ghi lại với máy Hewlett Packard 4155A Semiconductor parameter analyzer. Toàn bộ thí nghiệm và đo đạc được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 3. Kết quả và giải thích 3.1.1. Phổ hấp thụ Phycocyanin được chiết xuất hai lần trong thí nghiệm. Độ tinh sạch của hỗn hợp sau chiết xuất tính theo công thức đã đưa ra ở trên là đối với hai mẫu phycocyanin lần lượt ~ 0.371và ~ 0.624. Hình 3.14. Phổ hấp thụ của hỗn hợp chứa Phycocyanin (chiết xuất lần đầu) trong nước cất với hệ đệm Na phosphate 0.005 M Hình 3.15. Phổ hấp thụ của hỗn hợp chứa Phycocyanin (chiết xuất lần đầu) trong nước cất với hệ đệm Na phosphate 0.005 M Từ kết quả phổ hấp thụ ở hai lần thí nghiệm có thể thấy mức độ hấp thụ tại bước sóng 500 nm của phycocyanin trong lần chiết xuất đầu cao hơn mức độ hấp thụ tại bước sóng 500 nm trong phycocyanin chiết xuất lần hai và kết quả cho độ tinh sạch của lần hai cao hơn. Vậy mẫu phycocyanin chiết xuất lần hai sạch hơn lần một. Điều này có thể lý giải do thí nghiệm hai sử dụng hai lần kết tủa protein với (NH4)2SO4 nồng độ bão hòa lần lượt là 25% và 50%. Kết tủa protein với nồng độ bão hòa 25% để loại bỏ các protein không cần thiết và kết tủa protein với nồng độ bão hòa 50% để kết tủa phycocyanin, sau đó được thu lại bằng phương pháp ly tâm. Hình dạng phổ hấp thụ của mẫu phycocyanin trong cả hai lần chiết xuất đều có một đỉnh tại bước sóng 620 nm và một đỉnh,thấp hơn về phía bước sóng đỏ, tại bước sóng 650 nm. Đỉnh hấp thụ tại bước sóng 620 nm là đặc trưng của c-phycocyanin còn đỉnh hấp thụ tại bước sóng 650 là đặc trưng của allophycocyanin. Đỉnh hấp thụ của allophycocyanin thấp hơn đỉnh hấp thụ của c-phycocyanin là do hệ số hấp thụ phân tử của allophycocyanin thấp hơn của cphycocyanin, 7.3×105 cm-1M-1 so với 1.54×106 cm-1M-1 (bảng 2.1) và do sự sai khác về nồng độ giữa hai chất trong dung dịch. 3.1.2. Phổ huỳnh quang Hình 3.16. Phổ huỳnh quang của C- Phycocyanin Phổ huỳnh quang của mẫu chiết xuất phycocyanin có đỉnh cao nhất tại bước sóng 662 nm và một đỉnh thấp hơn, về phía bước sóng ngắn hơn, 642 nm. Hai đỉnh bước sóng phát xạ của mẫu chiết trùng với hai đỉnh phát xạ của allophycocyanin (662 nm) và c-phycocyanin (642 nm). Phổ hấp thụ của của allophycocyanin thấp hơn của c-phycocyanin nhưng phổ huỳnh quang lại mạnh hơn, như vậy có khả năng một phần năng lượng của c-phycocyanin hấp thụ được được chuyển qua allophycocyanin và phát huỳnh quang tại huỳnh quang của phycocyanin mặc dù hiệu suất lượng tử phát quang của allophycocyanin thấp hơn. Giả thuyết về việc c-phycocyanin truyền năng lượng sang allophycocyanin cần kiểm chứng thêm bằng các phép đo khác nhưng điều này mở ra ý tưởng sử dụng nhiều chất nhạy sáng truyền năng lượng khác nhau trong cùng một hệ pin mặt trời. Phycoerythrin với khả năng truyền năng lượng trong tự nhiên cho phycocyanin là một chất có thể sử dụng song song với
- Xem thêm -