Đi tìm cấu trúc vật liệu Janus: Xanh hóa việc sản xuất năng lượng sạch

Các nhà khoa học tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM) và Viện Nghiên cứu Liên ngành, Đại học Tohoku, Nhật Bản) đã nghiên cứu và phát triển một loại vật liệu mới để sản xuất hydro xanh bằng ánh sáng mặt trời, được kỳ vọng sẽ góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải.

“Năng lượng sạch” hay “chuyển dịch năng lượng” đã trở thành một trong những giải pháp được triển khai mạnh mẽ nhất ở hàng loạt quốc gia trong những năm gần đây để giảm phát thải khí nhà kính. Trong những giải pháp năng lượng ấy, năng lượng hydro dựa trên công nghệ tách nước đang là một ứng viên tiềm năng để giải quyết bài toán giảm phát thải CO2, do công nghệ tách nước này sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời để tạo H2 từ H2O.

Nhưng một công nghệ sạch lại thường đi kèm với chi phí sản xuất đắt đỏ, và hydrogen cũng không phải là ngoại lệ. “Vấn đề ở đây là các vật liệu quang xúc tác đòi hỏi chất xúc tác quang có giá thành quá cao, đồng thời hiệu suất chưa được như kỳ vọng”, Nguyễn Trần Gia Bảo - tác giả thứ nhất, sinh viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM) và là thành viên trong nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Tuấn Hưng (Viện Nghiên cứu Liên ngành, Đại học Tohoku, Nhật Bản) - chia sẻ với Báo KH&PT. Một trong những nguyên nhân dẫn đến việc giảm hiệu suất trong chất xúc tác quang là quá trình tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống. “Nếu quá trình này xảy ra quá nhanh thì sẽ làm tiêu tán năng lượng”, Nguyễn Trần Gia Bảo cho biết.

Đó là lý do nhóm nghiên cứu nghĩ đến những ưu điểm nổi bật của vật liệu Janus - loại vật liệu được đặt theo tên của vị thần La Mã, có hai mặt hình thành từ các phân tử khác nhau như S-Mo-Se (Sulfur - Molybdenum - Selenium). Cấu trúc bất đối xứng này tạo ra một điện trường nội tại và giúp phân tách không gian của cặp điện tử - lỗ trống, từ đó có thể giúp làm chậm quá trình tái hợp cũng như tăng cường hiệu suất tách nước trong vật liệu Janus. Thách thức nằm ở chỗ, do vật liệu Janus được hình thành bởi các cặp vật liệu khác nhau nên cũng đồng nghĩa với việc có rất nhiều cấu trúc có thể tồn tại. “Cặp vật liệu ghép nào là tối ưu nhất cho vật liệu quang tách nước? Nghiên cứu này của chúng tôi tập trung trả lời câu hỏi đó thông qua tính toán và mô phỏng vật liệu”, Nguyễn Trần Gia Bảo cho biết.

Đi tìm mảnh ghép

Thực tế, ý tưởng sử dụng vật liệu Janus không phải là một ý tưởng chưa từng có. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về quang xúc tác tách nước, và riêng với vật liệu Janus, nhiều công trình lý thuyết đã cho thấy Janus thường có vùng dẫn điện cao hơn mức khử H+/H2 và vùng hóa trị thấp hơn mức oxi hóa H2O/O2 - yếu tố thuận lợi cho phản ứng tách nước. “Các nhóm nghiên cứu trước đây cũng đã chỉ ra điện trường nội tại của vật liệu Janus có thể hỗ trợ quá trình tách nước”, nhóm nghiên cứu cho biết. “Nhưng trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào lớp vật liệu Janus hai chiều (2D) và có cấu trúc dị thể (nghĩa là bao gồm hai lớp vật liệu khác nhau ghép cặp với nhau, trong đó có một vật liệu là vật liệu Janus) - điểm mới của công trình”.

Để tiến hành nghiên cứu, nhóm của TS. Nguyễn Tuấn Hưng đã bắt tay với nhóm của PGS.TS Vũ Thị Hạnh Thu tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM) để thiết kế và ghép cặp vật liệu với nhau nhằm tạo ra 20 vật liệu dị thể 2D Janus. Sau đó, các nhà khoa học đã chọn lựa các cặp vật liệu có tiềm năng cho quang tách nước với các tiêu chí hấp thụ ánh sáng phù hợp và khả năng tách điện tích tốt. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá chuyên sâu để xem vật liệu có phù hợp cho phản ứng tạo hydro hay không dựa trên các tính toán độ linh động điện tử và quang hóa. “Điểm đặc biệt là nghiên cứu này không chỉ ‘tìm một vật liệu tốt’, mà còn đưa ra các nguyên tắc đơn giản dựa vào cấu trúc hình học và độ âm điện giữa các lớp vật liệu để lựa chọn cấu trúc dị thể tối ưu cho quang tách nước. Các nguyên tắc này có thể giúp rút ngắn thời gian tìm vật liệu mới đáng kể so với tính toán mô phỏng phức tạp”, đại diện nhóm nghiên cứu cho biết.

Cấu trúc Janus độc đáo giúp tăng cường hiệu suất quang xúc tác. Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp

Với tiền đề là sự hợp tác với nhóm của GS. Jing Kong (Viện Công nghệ Massachusetts - MIT, Mỹ) - nhóm đã tổng hợp thành công các cấu trúc dị thể 2D Janus và nhóm của GS. Shengxi Huang (Đại học Rice, Mỹ) để nghiên cứu về tính chất quang học của lớp vật liệu, TS. Nguyễn Tuấn Hưng và các thành viên trong nhóm đã có một nền tảng vững chắc để nghiên cứu lớp vật liệu dị thể 2D Janus cho quang tách nước. Thế nhưng trên con đường đi tìm cái mới - một trong những điều cốt lõi của nghiên cứu khoa học - thách thức luôn luôn hiện hữu. “Điểm khó khăn nhất trong nghiên cứu này là làm sao để lựa chọn vật liệu thỏa mãn đồng thời ba điều kiện để phản ứng quang tách nước xảy ra tốt”, Nguyễn Trần Gia Bảo và TS. Nguyễn Tuấn Hưng nhớ lại khi chia sẻ với Báo KH&PT. Điều kiện thứ nhất là hấp thụ ánh sáng tốt (bán dẫn có độ rộng vùng cấm bé), mà các mức năng lượng phù hợp để phản ứng tách nước diễn ra. Điều kiện thứ hai là rào thế hóa học trên bề mặt chất xúc tác thấp để phản ứng tách nước xảy ra dễ dàng. Và điều kiện thứ ba cần thỏa mãn đồng thời là độ linh động điện tử lớn để điện tử và lỗ trống tránh tái hợp.

Sau quá trình nghiên cứu, bài toán này đã được giải quyết bằng cách dùng Janus để tạo điện trường nội tại, đồng thời thiết kế dị thể để tạo căn chỉnh dải năng lượng thuận lợi. Ngoài ra, nhóm cũng tính và tối ưu các tham số liên quan trực tiếp đến phản ứng bề mặt (tạo hydro) cũng như độ linh động điện tử của vật liệu. Toàn bộ quá trình tính toán của nghiên cứu này được thực hiện thông qua hệ thống siêu máy tính của nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học Tự Nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM).

Nhờ đó, từ 20 cặp vật liệu, nhóm đã xác định được 3 dị thể tiềm năng nhất: WSe2-SWSe, WSe2-TeWSe, WS2-SMoSe. Trong đó WS2-SMoSe đạt hiệu suất chuyển đổi quang năng sang năng lượng hydro cao nhất trong các vật liệu được nghiên cứu - 16,62%. Nhiều cấu trúc vật liệu khác cũng đạt khoảng 14% đến dưới 16,62%. “Các hiệu suất này đều vượt ngưỡng 10% - ngưỡng thường được xem là mốc khả thi thương mại”, nhóm nghiên cứu chia sẻ tín hiệu đầy khả quan.

Với kết quả này, công trình đã được công bố trong bài báo “Rational Design 2D Heterobilayers Transition-Metal Dichalcogenide and Their Janus for Efficient Water Splitting” trên tạp chí ACS Applied Energy Materials (Q1). Đồng thời, kết quả nghiên cứu cũng được ghi nhận bằng giải Nhất Euréka - Sinh viên Nghiên cứu Khoa học cho sinh viên Nguyễn Trần Gia Bảo - tác giả thứ nhất của nghiên cứu.

“Việc kết hợp các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDC) với các lớp Janus giống như chơi LEGO vì có vô số cấu trúc để thử nghiệm. Phương pháp của chúng tôi cho phép xác định một cách hiệu quả và chính xác những tổ hợp vật liệu triển vọng nhất cho phân tách nước, qua đó rút ngắn đáng kể thời gian đi tìm cấu trúc vật liệu”, Nguyễn Trần Gia Bảo hình dung trong một chia sẻ với trường đại học Tohoku.

Những phát hiện mới này cũng giúp mở ra hướng thiết kế vật liệu mới để sản xuất hydro xanh bền vững bằng ánh sáng mặt trời, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải. “Tới đây, chúng tôi sẽ tiếp tục làm thực nghiệm để kiểm chứng các vật liệu tốt nhất. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu sẽ tối ưu thêm bằng cách điều chỉnh cấu trúc, ghép thêm lớp, hoặc thêm chất hỗ trợ xúc tác để tăng độ bền và hiệu suất, đồng thời mở rộng tìm kiếm sang nhiều tổ hợp vật liệu 2D khác”, TS. Nguyễn Tuấn Hưng cho biết.

Bài đăng KH&PT số 1375+1376 (số 51+52)

Khoahocphattrien