Trước tình trạng biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng gây ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống và sức khỏe cộng đồng, 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.

Việc phát triển các vật liệu tiên tiến có khả năng ứng dụng trong xử lý khí thải và ô nhiễm nước, góp phần vào sản xuất năng lượng tái tạo không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển bền vững của Việt Nam, hỗ trợ giảm thiểu tác động môi trường và thúc đẩy ngành công nghiệp năng lượng sạch.

Nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm (TS. Phạm Thị Thùy Phương thứ 3 từ trái qua, TS. Nguyễn Trí ngoài cùng bên phải)

Từ thực tế trên, một nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ hóa học với 3 thành viên là TS. Phạm Thị Thùy Phương, TS. Nguyễn Trí và TS. Nguyễn Hoàng Duy đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt 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”.

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.

Với những đóng góp khoa học, công trình này đã được đăng trên tạp chí Nano Energy có chỉ số ảnh hưởng IF 17.6, xếp hạng 7/224 và một đơn đăng ký sáng chế về “Phương pháp xử lý chất ô nhiễm hữu cơ trong nước bằng vật liệu áp điện”.

So sánh hiệu quả phân hủy RhB bằng quá trình khuấy có và không có xúc tác BT

Một thành công khác của nhóm là phát triển được hệ xúc tác tiên tiến cho quá trình hydro hóa CO₂ thành metan với hiệu suất cao bằng cách thêm chất xúc tiến đặc biệt. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung chỉ một lượng nhỏ Dy (0.5%) có thể làm giảm kích thước tinh thể của Ni, tăng cường sự phân tán của pha hoạt động và cải thiện khả năng khử của xúc tác. Ngoài ra, việc hình thành tâm hoạt động mới, có khả năng hấp phụ H2 vượt trội, từ sự kết hợp giữa Ni và Dy góp phần làm tăng đáng kể khả năng chọn lọc CH4. Nhờ đó, xúc tác 0,5% Dy-10% Ni/SiC đạt độ chuyển hóa CO₂ đến 80,6% (400 oC) với độ chọn lọc CH4 trên 99% ở tốc độ dòng 30 L/g/h. Đặc biệt, hệ xúc tác này có khả năng tái sinh tại chỗ giúp sử dụng hiệu quả CO₂, đồng thời góp phần giảm thiểu khí thải nhà kính.

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. Đáng chú ý, 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 oC) và 10Ni4Zr/HA đạt 89,3% (375 oC) ở tốc độ dòng 12 L/g/h với độ chọn lọc CH4 đạt xấp xỉ 100%.

Quy trình tạo cellulose aerogel từ vỏ ngô

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 như CsPbI₃, CsPbBr₂I và Cs₄PbBr₆ (InGaN/GaN@perovskite). Hệ InGaN/GaN@perovskite 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.

Cũng trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã có nhiều công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục SCIE, bao gồm 8 bài báo trong quá trình thực hiện và 2 bài báo sau khi nghiệm thu. Đáng chú ý, một số công bố có lượt trích dẫn khá cao như bài báo “Impact of stirring regime on piezocatalytic dye degradation using BaTiO3 nanoparticles” có 16 lượt trích dẫn và bài báo “Deactivation and in-situ regeneration of Dy-doped Ni/SiO2 catalyst in CO2 reforming of methanol” có 9 lượt trích dẫn.

Ảnh FESEM của microLED với kích thước (a) 40×40 µm2 và (b) 10×10 µm2

Về hướng ứng dụng, 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.

Một ứng dụng khác nữa là sử dụng phụ phẩm nông nghiệp/thủy hải sản để tạo chất mang “xanh” hướng đến các ứng dụng an toàn và bền vững. Việc phát hiện thành phần dysprosium mới giúp cải thiện hiệu quả xúc tác trong khi nghiên cứu về vật liệu piezoelectric BaTiO₃ góp phần mở rộng hướng ứng dụng trong các phản ứng hóa học dựa trên năng lượng cơ học.

Các sản phẩm nghiên cứu như linh kiện InGaN/GaN microLED, hệ xúc tác piezoelectric không chứa chì và vật liệu nano kim loại hiện đang được lưu trữ và phát triển thêm tại Viện Công nghệ hóa học.

Những thành công của nhiệm vụ không chỉ đóng góp cho sự phát triển bền vững mà còn khẳng định vai trò tiên phong của các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong việc giải quyết các vấn đề mang tính cấp bách, từ môi trường đến chuyển đổi năng lượng.