Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ ba, 04/01/2011 18:46 (GMT+7)

Quang xúc tác phân ly nước: thành tựu và thách thức tương lai

Quang xúc tác phân ly nước tạo H 2và O 2thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Bởi vì đây là quá trình tái sinh năng lượng và hạn chế được việc phải sử dụng nhiên liệu hóa thạch dẫn đến sự phát thải khí CO 2.

Như minh họa ở hình 1, quang xúc tác nói chung được chia thành 2 loại chính. Loại 1, sử dụng hệ xúc tác 1 giai đoạn với ánh sáng khả kiến để phân ly nước. Với loại xúc tác này, chỉ có 1 vùng cấm và năng lượng của vùng cấm (band-gap) này đủ hẹp để có thể hấp thu photon của ánh sáng khả kiến. Tuy vậy, do những đòi hỏi về độ bền khi phơi trong thời gian dài dưới ánh nắng nên các hệ quang xúc tác 1 giai đoạn phân ly nước vẫn còn chưa được dùng rộng rãi.

Giản đồ năng lượng của sự quang xúc tác phân ly nước 1 giai đoạn và 2 giai đoạn quang kích thích. CB: vùng dẫn (conduction band), VB: vùng cấm (valence band).

Loại hai là ứng dụng cơ chế kích thích 2 giai đoạn, bằng cách sử dụng hai loại xúc tác khác nhau. Quá trình tổng hợp tự nhiên trong cây xanh đã thực hiện quá trình này và gọi là giản đồ Z (Z-scheme). Phương pháp này mở rộng được hoạt tính xúc tác ở vùng ánh sáng khả kiến do năng lượng tự do Gibb trong trường hợp này nhỏ hơn so với hệ phân ly nước 1 giai đoạn. Tuy nhiên, vẫn còn thách thức của việc đẩy mạnh sự chuyển electron giữa hai bán dẫn và phản ứng khử ngược lại trong hệ thống oxi hóa khử trung gian.

Xúc tác ở kích thước nano

Những kim loại quý như Pt và Ru là những chất xúc tác rất tốt cho phản ứng tạo H 2, nhưng nó cũng xúc tác cho phản ứng ngược tạo ra H 2O từ H 2và O 2. Vì lí do đó, để tránh phản ứng ngược lại, người ta đã hướng đến việc sử dụng các oxit kim loại chuyển tiếp thay thế một phần hoặc hoàn toàn các kim loại quý (do các oxit không có hoạt tính cho phản ứng tạo H 2O từ O 2và H 2). Thời điểm này, chưa có hệ xúc tác hỗn hợp nào (cocatalysts) hiệu quả hơn hệ NiO xvà RuO 2.

Hình A. minh họa kết tủa Cr2O3 bằng cách khử ion Cr (VI) (D và A tương ứng là chất cho và nhận electron) Hình B. ảnh TEM của kim loại Rh đã được gắn lên hỗn hợp xúc tác nền GaN:ZnO, trước và sau phản ứng khử ion Cr(VI) về crom oxit. Hình ảnh cho thấy lớp bao phủ nhân kim loại Rh có độ dày gần bằng 2 nm, tạo thành cấu trúc core-shell. Phổ quang electron tia X và phổ hấp thu tia X cho thấy lớp vỏ là của Cr2O3.

Năm 2006, một nghiên cứu trên hệ xúc tác dạng hạt nano Rhodium oxit và Crom phối trộn với dung dịch rắn GaN và ZnO (GaN:ZnO) đã cho những kết quả hết sức hứa hẹn và đã làm nổi bật vai trò quan trọng của hệ cocatalysts trong quang xúc tác phân ly nước và tạo một trào lưu nghiên cứu về cocatalysts.

Dựa trên các kết quả có được từ các hệ xúc tác nano, các nghiên cứu trên các hệ cocatalysts mới sử dụng hiệu ứng bề mặt của các vật liệu nano tiếp tục được phát triển. Hạt nano cấu trúc core-shell (với kim loại quý, oxide kim loại làm nhân và vỏ ngoài là Cr 2O 3) trở thành một cocatalysts mới để phân ly nước.

Vẫn luôn tồn tại quá trình tạo H 2O từ H 2và O 2trên bề mặt các hạt nano Rh trong quá trình phân ly H 2O, và việc loại bỏ phản ứng ngược trong hệ xúc tác này là một vấn đề chìa khóa của hệ xúc tác này. Sử dụng Cr 2O 3như một lớp vỏ phủ trên bề mặt các kim loại quý như Pd, Pt và Rh cho kết quả rất tốt để giảm thiểu hướng đi ngược lại của phản ứng phân ly nước.

Những kết quả trên cho thấy rằng vỏ Cr 2O 3có thể triệt tiêu được phản ứng tạo H 2O trên bề mặt xúc tác kim loại quý, do đó cho phép phản ứng xảy ra theo chiều hướng mong muốn (2H 2O --> O 2+ H 2).

Phản ứng phân ly nước chủ yếu được xúc tác bằng kim loại quý. Trong khi đó các oxit kim loại thêm vào hệ cocatalysts thường cho thấy hoạt tính xúc tác phản ứng tạo thành nước không đáng kể. Vai trò chủ yếu của các oxit vẫn chỉ là ngăn cản phản ứng kết hợp các sản phẩm H 2và O 2mà thôi.

Trong quá trình điều chế, các hạt nano Rh có xu hướng kết tụ lại trên bề mặt xúc tác làm giảm mạnh diện tích bề mặt riêng. Hoạt tính của hệ xúc tác phụ thuộc rất nhiều vào diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha xúc tác và tác chất, nên hoạt tính của hệ cocatalysts sẽ được cải thiện nếu sự kết tụ các hạt nano được giảm đi. Vì vậy, việc tăng độ phân tán của các hạt nano trên bề mặt xúc tác là cách tốt nhất để tăng hoạt tính của quang xúc tác.

Trong cả hai trường hợp hạt nano xúc tác có phủ và không phủ Cr 2O 3, H+ được hấp phụ/ giải hấp thụ và quá trình sinh ra khí H 2được kiểm tra bằng phổ hấp thu của liên kết Pt-H. Lớp Cr 2O 3không gây ảnh hưởng đến quá trình khử H +hay tạo H 2, và sự khử H +chỉ xảy ra ở bề mặt chuyển tiếp Cr 2O 3-Pt. Tuy nhiên, sự khử O 2thành H 2O không xảy ra, do O 2bị chặn ở lớp vỏ Cr 2O 3. Và điều đó được kết luận rằng lớp Cr 2O 3chỉ cho H +thấm qua được để tạo thành khí hydro và không cho O 2thấm qua. Cơ chế phản ứng sự tạo thành khí H 2trên hạt nano cấu trúc core-shell (kim loại quý hoặc oxit kim loại là nhân và Cr 2O 3là vỏ) đóng vai trò xúc tác trong phản ứng phân ly nước được trình bày ở hình sau.

Các kết quả trên chứng minh rằng biến tính xúc tác bằng Cr 2O 3là phương pháp tốt để làm tăng hoạt tính phân ly nước. Một xúc tác core-shell khác cũng có tác dụng phân ly nước là hạt nano Ni(nhân)/NiO(vỏ) đã được ứng dụng trên nhiều hệ quang xúc tác. Thứ nhất, so với hệ Ni/NiO thì hệ core-shell này có một số thuận lợi như có thể sử dụng nhiều loại kim loại quý và các oxide kim loại làm nhân để lấy các electron từ xúc tác nền. Thứ hai, có độ chọn lọc cao. Thứ ba, không cần tác nhân hoạt hóa bằng oxid hóa hay khử. Hai thuận lợi sau cùng thì hiệu quả khi nhân cocatalysts được tổng hợp bằng phương pháp quang kết tủa insitu. Sự bỏ qua giai đoạn hoạt hóa bằng cách đun nóng là một thuận lợi đặc biệt cho quang xúc tác không oxi hóa, giúp cho những chất bền nhiệt kém không bị phân hủy.

Một nghiên cứu gần đây sử dụng GaN:ZnO có gắn những h

ạt nano Rh/Cr 2O 3và các hạt nano Mn 3O4như là chất trợ xúc tác sinh ra H 2và O 2từ H 2O bằng ánh sáng khả kiến (lamda>420nm). Phương pháp điều chế được thực hiện là kết tủa từng bước bao gồmsự hấp phụ của MnO (9.2±0.4 nm) sau đó nung để tạo thành tinh thể Mn 3O 4và cuối cùng là phân tấn trên hệ Rh/Cr 2O 3(core-shell), được trình bày trong hìnhA.

Phương pháp này cho phép phân chia được các vùng tạo ra khí H 2và O 2. Phương pháp khảo sát cấu trúc là TEM và XRD. Như đã đề cập trước, Rh/Cr 2O 3cho các tâm hoạt tính để tạo khí H 2. Mặt khác, các phương pháp phân tích quang điện hóa cho thấy rằng các hạt nano Mn 3O 4trên bề mặt GaN:ZnO xúc tiến cho quá trình oxi hóa nước. Kết quả, hoạt tính của GaN:ZnO được gắn với hai pha là Mn 3O 4và Rh/Cr 2O 3cho hoạt tính xúc tác cao hơn khi gắn một trong hai chất trên, được trình bày ở hình B.

Mô hình phản ứng được đề nghị cho phản ứng phân ly nước bằng GaN:ZnO có gắn Mn 3O 4và Rh/Cr 2O 3được minh họa ở hình C.

Viễn cảnh tương lai cho quang xúc tác phân ly nước

Trong 5 năm gần đây, Quá trình nghiên cứu quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc phát triển hoạt tính quang xúc tác, làm sáng tỏ được cơ chế phản ứng, một điển hình trong lĩnh vực xúc tác dị thể phân ly nước. Các nhà khoa học đã phát triển một số hệ xúc tác có triển vọng như: GaN:ZnO gắn Rh 2-yCr yO 3(hệ phân ly nước một giai đoạn) và một hệ xúc tác phân ly nước hai giai đoạn bao gồm Pt/ZrO 2/TaON và Pt/WO 3và IO 3-/I -như là chất cho và nhận electron. Với hiệu suất lượng tử tương ứng là khoảng 5.1% ở kích thước 410 nm và 6.3% ở 420.5 nm. Tuy nhiên vẫn tiếp tục nghiên cứu cải thiện hoạt tính cao hơn của các hệ xúc tác để có sự hấp thu photon cao nhất. Hình 5, hiệu quả chuyển hóa năng lượng mặt trời càng tăng khi xúc tác bằng ánh sáng bước song càng dài.

Để cung cấp đủ nhu cầu về năng lượng cho con người đến năm 2050 từ năng lượng mặt trời, những dự tính sơ bộ của chúng ta đề nghị rằng xấp xỉ 10 000 “dự án năng lượng mặt trời” (diện tích 5km x 5km cho mỗi dự án) để chuyển hóa năng lượng mặt trời với hiệu suất là 10%. Tất cả diện tích cần thiết khoảng 250000 Km 2, chiếm 1% diện tích hoang mạc của trái đất, 570 tấn khí H 2có thể được tạo ra trong một ngày. Khí H2 có thể được sử dụng cho Pin nhiên liệu, các nguyên liệu đầu cho quá trình tạo các chất hóa học như CH 3OH hay nhiều chất khác. Chắc chắn là công nghệ phân chia khí H2 và O2 tương ứng phải được đòi hỏi khắt khe.

Xem Thêm

Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

5 nhà khoa học của Liên hiệp Hội Việt Nam được tôn vinh “Nhà khoa học của Nhà nông” năm 2026
Sáng 2/10/2026, tại Hà Nội, Trung ương Hội Nông dân Việt Nam tổ chức Chương trình tôn vinh “Nhà khoa học của Nhà nông” lần thứ VII và trao giải Cuộc thi “Sáng tạo kỹ thuật Nhà nông” toàn quốc lần thứ XI năm 2026. Trong số 42 cá nhân được tôn vinh năm nay có 5 nhà khoa học do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam giới thiệu.
Thanh Hoá: Kinh tế tuần hoàn, tín chỉ Carbon và mô hình sản xuất không phát thải
Ngày 30/9/2026, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Thanh Hóa (Liên hiệp hội) phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức và Viện Nông nghiệp Thanh Hóa tổ chức Diễn đàn khoa học với chủ đề “Kinh tế tuần hoàn và tín chỉ Carbon - Phương pháp xây dựng mô hình sản xuất không phát thải tại Thanh Hóa”.
Đắk Lắk: Phát huy nguồn lực trí thức, xây dựng hệ sinh thái đổi mới sáng tạo tỉnh
Trong giai đoạn 2026-2030, xây dựng hệ sinh thái đổi mới sáng tạo (ĐMST) là yêu cầu quan trọng để Đắk Lắk khai thác tốt hơn tiềm năng, lợi thế và các nguồn lực cho phát triển. Cùng với KHCN và CĐS, ĐMST cần được nhìn nhận không chỉ là hoạt động của các viện, trường hay doanh nghiệp công nghệ, mà là một phương thức tổ chức nguồn lực để giải quyết những bài toán phát triển cụ thể của địa phương.
Phú Thọ: Tập huấn, truyền thông thúc đẩy giáo dục hòa nhập cho trẻ khuyết tật tại xã Lạc Sơn
Ngày 25/9/2026, tại xã Lạc Sơn, tỉnh Phú Thọ, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Phú Thọ phối hợp với Viện Tài chính vi mô và Phát triển cộng đồng (MACDI) cùng các cơ quan, đơn vị liên quan tổ chức chương trình tập huấn, truyền thông thúc đẩy giáo dục hòa nhập cho trẻ khuyết tật.
Đại hội Hội Khoa học lịch sử Việt Nam lần thứ VIII: GS.TS Nguyễn Văn Kim được bầu làm Chủ tịch
Ngày 30/9/2026, tại Hà Nội, Hội Khoa học Lịch sử Việt Nam tổ chức Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ VIII, nhiệm kỳ 2026-2031. Đại hội là dấu mốc quan trọng mở ra chặng đường phát triển mới của Hội; GS.TS Nguyễn Văn Kim được tín nhiệm bầu giữ chức Chủ tịch Hội Khoa học Lịch sử Việt Nam nhiệm kỳ 2026-2031.
Thế hệ trẻ và bản lĩnh chính trị trên không gian số: Chủ động đối thoại, phản biện và “phủ xanh” thông tin tích cực
Trong kỷ nguyên số, không gian mạng tác động sâu sắc đến nhận thức, tư tưởng của xã hội, đặc biệt là thế hệ trẻ. Trước tin giả, thông tin xấu độc và các luận điệu sai trái, thù địch, tuổi trẻ Việt Nam thông qua các diễn đàn chính luận đã khẳng định bản lĩnh chính trị vững vàng, chủ động đối thoại, phản biện các luận điệu sai trái và góp phần “phủ xanh” không gian mạng bằng những giá trị tích cực.
Phản biện để hoàn thiện, không phải để phủ định
Hoạt động tư vấn, phản biện (TVPB) của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã trở thành một phương thức quan trọng để tập hợp trí tuệ đội ngũ trí thức, cung cấp luận cứ khoa học tin cậy cho Đảng, Nhà nước. Để hiểu rõ hơn về sự phát triển, phương pháp tổ chức và những bài học thực tiễn từ hoạt động này, phóng viên đã có cuộc trao đổi với ThS Bùi Kim Tuyến, Trưởng ban TVPB, VUSTA
Liên hiệp Hội Việt Nam hợp tác với doanh nghiệp công nghệ, hiện thực hóa các mục tiêu chuyển đổi số
Ngày 28/9, tại Hà Nội, Lãnh đạo Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã có buổi trao đổi, làm việc với Công ty CP Tập đoàn Truyền thông StarWorld (Starworld Group) về các giải pháp chuyển đổi số, hướng tới xây dựng nền tảng công nghệ khoa học phục vụ chiến lược phát triển của VUSTA trong giai đoạn 2026 - 2031.
Phó Chủ tịch Trương Xuân Lam: Đưa khoa học, công nghệ vào giải quyết những bài toán thực tiễn ngành hàng không
Ngày 26/9, tại Hà Nội, Hội Khoa học và Công nghệ Hàng không Việt Nam tổ chức Đại hội đại biểu lần thứ VII, nhiệm kỳ 2026-2031. Phát biểu tại Đại hội, GS.TS Trương Xuân Lam, Phó Chủ tịch LHHVN nhấn mạnh yêu cầu Hội tiếp tục đổi mới nội dung, phương thức hoạt động, tập hợp và phát huy đội ngũ trí thức, đưa KHCN, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số vào giải quyết những vấn đề của ngành hàng không.