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 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.
Ứng dụng công nghệ số toàn diện là nhiệm vụ trọng tâm của VUSTA giai đoạn tới
Ứng dụng công nghệ số toàn diện, xây dựng hệ sinh thái số là bước đi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và phát huy sức mạnh đội ngũ trí thức của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA). Qua đó cho thấy, VUSTA không chỉ bắt kịp xu thế công nghệ mà còn chủ động kiến tạo những giá trị mới, khẳng định vai trò tiên phong của đội ngũ trí thức trong thời đại số.

Tin mới

Đầu tư khoa học công nghệ giải quyết điểm nghẽn của ngành Thủy sản Việt Nam
Phát biểu tại Hội nghị khoa học công nghệ thủy sản và kiểm ngư toàn quốc năm 2026, Thứ trưởng Bộ Nông nghiệp và Môi trường Phùng Đức Tiến đã nhấn mạnh sự cần thiết của đổi mới sáng tạo khoa học công nghệ trong giải quyết điểm nghẽn về logistics, môi trường, nâng cao sức cạnh tranh của ngành Thủy sản trong nước.
Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng nhận danh hiệu Giáo sư danh dự Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga
Sáng 30/4/2026, tại Trường Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga (MPEI), TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch VUSTA đã vinh dự đón nhận danh hiệu Giáo sư danh dự của MPEI. Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng là công dân đầu tiên của Việt Nam được trao tặng danh hiệu Giáo sư tại MPEI, đứng trong bảng danh dự cùng với các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới.
51 năm thống nhất đất nước: Khơi thông nguồn lực tri thức trong kỷ nguyên mới
Thông tấn xã Việt Nam giới thiệu bài phỏng vấn với Phó Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) về vai trò của lực lượng trí thức và những giải pháp đột phá để hiện thực hóa khát vọng hùng cường vào năm 2030 và 2045.
Phát huy vai trò nòng cốt của trí thức KH&CN tỉnh Cà Mau
Đại hội đại biểu Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Cà Mau lần thứ I, nhiệm kỳ 2026 - 2031 tổ chức thành công thực sự đã mở ra một không gian mới để hội tụ sức mạnh, tâm huyết và trí tuệ của đội ngũ trí thức tỉnh nhà, định hình con đường kiến tạo và phát triển trong kỷ nguyên mới của đất nước.
Công bố Quyết định bổ nhiệm Giám đốc, Tổng biên tập Nhà xuất bản Tri thức
Ngày 28/4, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) tổ chức Hội nghị Công bố quyết định về công tác cán bộ. Tại hội nghị, TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch VUSTA đã trao Quyết định bổ nhiệm bà Bùi Thị Thu Hằng, Phó Giám đốc phụ trách, Phó Tổng biên tập NXB Tri thức giữ chức vụ Giám đốc, Tổng biên tập NXB Tri thức.
Đảng bộ Liên hiệp Hội Việt Nam tổ chức Hội nghị Ban Thường vụ - Ban Chấp hành tháng 4/2026
Ngày 28/4, tại Hà Nội, Đảng bộ Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (LHHVN) tổ chức Hội nghị Ban Thường vụ - Ban Chấp hành nhằm đánh giá kết quả công tác, đồng thời triển khai các nhiệm vụ trọng tâm, tạo chuyển biến mạnh mẽ trong công tác xây dựng Đảng và chuẩn bị cho Đại hội LHHVN nhiệm kỳ mới.
Nâng tầm sức mạnh văn hóa vùng Đất Tổ - Động lực quan trọng cho phát triển bền vững
Phát triển văn hóa và con người là nền tảng tinh thần, nguồn lực nội sinh, động lực cho phát triển nhanh bền vững. Quan điểm đó tiếp tục được khẳng định mạnh mẽ trong Nghị quyết số 80-NQ/TW của Bộ Chính trị. Nghị quyết nhấn mạnh văn hóa phải thấm sâu vào đời sống xã hội, gắn kết hài hòa với chính trị, kinh tế, môi trường, quốc phòng, an ninh, đối ngoại; thực sự trở thành sức mạnh mềm của quốc gia.
Chủ tịch Phan Xuân Dũng dự Đại hội đại biểu Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cà Mau lần thứ I
Ngày 23/4, Đại hội đại biểu Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cà Mau lần thứ I, nhiệm kỳ 2026-2031 đã thành công tốt đẹp. Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng chúc mừng, đánh giá cao những nỗ lực rất lớn của Liên hiệp Hội tỉnh, đồng thời nhấn mạnh yêu cầu đẩy mạnh TVPB, ĐMST&CĐS, lan tỏa tri thức KH&CN, phục vụ trực tiếp đời sống người dân địa phương.