Vật liệu mới tiết kiệm năng lượng

Các hệ vật liệu phục vụ cảm biến khí, chuyển hóa CO₂ thành nhiên liệu tái tạo, phân tách nước để sản sinh hydro, xử lý chất ô nhiễm hữu cơ và khử trùng là nghiên cứu của các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Nhận diện chất ô nhiễm

Trong những năm gần đây, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa ở Việt Nam đã làm gia tăng lượng phát thải khí nhà kính, gây ô nhiễm môi trường và làm trầm trọng thêm tình trạng biến đổi khí hậu.

Các chất thải công nghiệp và khí thải từ phương tiện giao thông tạo ra lượng lớn CO₂ và NOx trong không khí, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống và sức khỏe cộng đồng. Bên cạnh đó, việc xử lý các loại chất ô nhiễm trong nước thải và cải thiện nguồn năng lượng sạch đang đặt ra những thách thức lớn.

Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu mạnh về Vật liệu tiên tiến vì Môi trường bền vững thuộc Viện Công nghệ hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam gồm 3 thành viên chính là TS Phạm Thị Thùy Phương, TS Nguyễn Trí và TS Nguyễn Hoàng Duy đã thực hiện nhiệm vụ “Phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc hạng II về nghiên cứu và phát triển vật liệu tiên tiến ứng dụng trong nhận diện chất ô nhiễm, xử lý môi trường và chuyển hóa năng lượng”.

TS Phạm Thị Thùy Phương (thứ 3 từ trái qua), TS Nguyễn Trí (ngoài cùng bên phải). Ảnh: NVCC

Mục đích của nhóm là tạo ra những vật liệu mới có khả năng vượt trội và cải tiến vật liệu truyền thống thông qua các phương pháp chế tạo và biến tính tiên tiến. Hệ vật liệu này được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và hiệu quả cao, đồng thời mở rộng tiềm năng ứng dụng trong nhiều công nghệ hiện đại.

Nổi bật là các hệ vật liệu phục vụ cảm biến khí, chuyển hóa CO₂ thành nhiên liệu tái tạo, phân tách nước để sản sinh hydro, xử lý chất ô nhiễm hữu cơ và khử trùng.

Trong khuôn khổ nghiên cứu, TS Phạm Thị Thùy Phương cùng các cộng sự đã chứng minh khả năng ứng dụng của vật liệu piezoelectric BaTiO3 (BT), được tổng hợp bằng phương pháp pha rắn đơn giản, trong các phản ứng phân tách nước để sinh ra hydro, chuyển hóa CO₂ trong môi trường nước thành khí tổng hợp và tạo ra nước hoạt tính chứa hydro peroxide (H₂O₂).

Nghiên cứu đã cung cấp minh chứng đầu tiên về hoạt động xúc tác piezo của hạt BT được kích hoạt bởi lực khuấy. Kết quả cho thấy, dưới tác dụng của lực cơ học trên bề mặt BT, nước sẽ được phân tách thành gốc OH theo phản ứng và O₂ sẽ được tạo thành O₂, nhờ đó thuốc nhuộm sẽ bị phân hủy thông qua quá trình oxy hóa nâng cao. Kết quả là việc sản sinh gốc tự do trên bề mặt BT hiệu quả hơn giúp cho hiệu suất phân hủy Rhodamine B (RhB) đạt tới 12,05 mg/g/h chỉ dựa vào lực khuấy trộn.

Hệ xúc tác xử lý chất hữu cơ

Trong lĩnh vực phát triển hệ xúc tác từ phụ/phế phẩm chế biến nông sản và thủy hải sản, TS Nguyễn Trí cùng các cộng sự đã phát triển hệ xúc tác từ các chất mang “xanh” như cellulose aerogel - CA (phụ phẩm nông nghiệp) và hydroxyapatite - HA (xương cá). Hệ xúc tác kết hợp giữa nano Fe3O4/ZnO/CA, cho thấy khả năng xử lý hiệu quả các chất hữu cơ khó phân hủy với hiệu suất lên đến 82,4% chỉ trong 90 phút.

Hệ xúc tác này có thể tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ, đảm bảo tính bền vững và thân thiện với môi trường. Trong khi đó, hệ xúc tác độ chuyển hóa CO₂ trên xúc tác 10Ni6Ce/HA đạt 92,5% (325 độ C) và 10Ni4Zr/HA đạt 89,3% (375 độ C) ở tốc độ dòng 12 L/g/h với độ chọn lọc CH4 đạt xấp xỉ 100%.

Trong lĩnh vực cảm biến khí, TS Nguyễn Hoàng Duy hợp tác với PGS.TS Nguyễn Phạm Trung Hiếu (Trường Đại học Công nghệ Texas, Hoa Kỳ) bước đầu đã thiết kế và chế tạo được thiết bị quang-điện với kích thước 40×40 µm2 và 10×10 µm2 (microLED) dựa trên linh kiện nanowire InGaN/GaN kết hợp với các chấm lượng tử perovskite.

Thiết bị có thể phát quang trong vùng từ 400 nm đến 650 nm, định hướng ứng dụng trong các cảm biến khí kích hoạt bằng ánh sáng. Kết quả nghiên cứu cho thấy không có sự dịch chuyển các đỉnh quang phổ electroluminescence theo thời gian, chứng tỏ sự ổn định quang học của LED. Tuy nhiên, cường độ phát quang của hệ đã giảm dần theo thời gian, với mức giảm là ~65% sau 720 giờ phát sáng liên tục.

Hiện nhóm nghiên cứu vẫn đang tập trung vào việc cải thiện độ bền quang học và hiệu suất phát sáng dài hạn của hệ microLED, đồng thời tối ưu hóa sự kết hợp giữa linh kiện nanowire InGaN/GaN và các vật liệu chấm lượng tử perovskite CsPb(Br/I)3.

Theo TS Phạm Thị Thùy Phương, nghiên cứu tiếp theo sẽ đánh giá khả năng phát hiện các khí mục tiêu trong môi trường thực tế, từ đó phát triển các cảm biến khí có độ nhạy và độ ổn định cao, đáp ứng yêu cầu trong công nghiệp.

Ngoài ra, nhiệm vụ cũng đã phát triển một số hướng ứng dụng có tính khả thi như việc sử dụng vật liệu và phương pháp chế tạo nước hoạt tính chứa H2O2 và nitrate từ nước và không khí cho lĩnh vực thủy canh.

Theo Báo Giáo dục và Thời đại