Phân hủy quang xúc tác là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phân hủy quang xúc tác

Phân hủy quang xúc tác là một quá trình phản ứng hóa học sử dụng ánh sáng để kích hoạt chất xúc tác bán dẫn, giúp phân hủy các hợp chất ô nhiễm. Cơ chế này chủ yếu dựa trên sự tạo thành các cặp điện tử - lỗ trống khi ánh sáng kích thích electron trong chất bán dẫn từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Các electron và lỗ trống này sinh ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh, như hydroxyl (•OH) và superoxide (O₂⁻•), từ đó tấn công và phá vỡ cấu trúc phân tử của các chất ô nhiễm hữu cơ hoặc vô cơ.

Chất xúc tác thường được sử dụng là các oxit kim loại bán dẫn như TiO₂, ZnO và CdS, vì chúng có độ bền cao, hoạt tính xúc tác tốt và giá thành rẻ. Tùy thuộc vào vùng năng lượng cấm (bandgap) của từng vật liệu, các xúc tác này sẽ phản ứng với ánh sáng có bước sóng tương ứng, phổ biến nhất là ánh sáng UV hoặc ánh sáng khả kiến. Phân hủy quang xúc tác đang được nghiên cứu rộng rãi để ứng dụng trong xử lý môi trường, khử khuẩn, sản xuất năng lượng sạch và tổng hợp hóa chất xanh.

Cơ chế phản ứng quang xúc tác

Quá trình quang xúc tác bắt đầu khi chất bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), làm kích thích electron (e⁻) từ vùng hóa trị (valence band - VB) lên vùng dẫn (conduction band - CB). Sự di chuyển này để lại một lỗ trống (h⁺) trong VB, tạo nên cặp e⁻/h⁺. Hai hạt mang điện này sau đó di chuyển tới bề mặt xúc tác và tham gia vào các phản ứng khử và oxy hóa riêng biệt với các phân tử hấp phụ trên bề mặt.

Các phản ứng chính gồm:

• $SC + h\nu \rightarrow e^- + h^+$ (kích thích tạo cặp electron-lỗ trống)
• $h^+ + H_2O \rightarrow \cdot OH + H^+$ (oxy hóa nước tạo hydroxyl)
• $e^- + O_2 \rightarrow O_2^{\cdot -}$ (khử oxy tạo superoxide)

Các gốc tự do sinh ra trong quá trình trên có hoạt tính cao, phản ứng mạnh với liên kết C–C, C–H, C=C hoặc nhóm nitro, amin… trong phân tử chất ô nhiễm, làm đứt gãy cấu trúc và phân rã thành CO₂, H₂O hoặc các ion vô cơ.

Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào khả năng tách cặp e⁻/h⁺, tốc độ tái kết hợp và mức độ hấp phụ chất ô nhiễm lên bề mặt chất xúc tác. Nghiên cứu hiện đại đang hướng đến cải thiện các yếu tố này thông qua kỹ thuật doping, tạo dị thể, hoặc thiết kế vật liệu nano nhằm tối ưu hóa phản ứng.

Vật liệu xúc tác quang phổ biến

Các vật liệu xúc tác quang đóng vai trò trung tâm trong hiệu quả của quá trình phân hủy. Trong số đó, TiO₂ là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất vì có độ bền hóa học cao, giá thành thấp và hoạt tính ổn định dưới ánh sáng UV. Tuy nhiên, hạn chế của TiO₂ là vùng cấm rộng (~3.2 eV), chỉ hấp thụ được ánh sáng UV chiếm khoảng 5% phổ mặt trời.

Để khắc phục, các vật liệu thay thế hoặc cải tiến đã được nghiên cứu như:

• ZnO (kẽm oxit): Có vùng cấm tương tự TiO₂ nhưng nhạy cảm hơn với điều kiện môi trường (pH, ion kim loại nặng).
• CdS (cadmium sulfide): Hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng dễ bị ăn mòn và gây độc hại cho môi trường.
• WO₃, BiVO₄, Cu₂O: Là các vật liệu có vùng cấm hẹp hơn, hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời nhưng có độ ổn định thấp hơn.

Bên cạnh đó, việc kết hợp các vật liệu xúc tác với chất dẫn điện như graphene, carbon nanotube hoặc kim loại quý như Ag, Pt, Au giúp cải thiện hiệu suất tách cặp e⁻/h⁺ và mở rộng phổ hấp thụ. Kỹ thuật nano hóa và chế tạo cấu trúc dị thể (heterojunction) cũng góp phần tăng cường diện tích bề mặt và tăng tốc độ phản ứng.

Bảng so sánh một số vật liệu xúc tác quang tiêu biểu:

Vật liệu	Vùng cấm (eV)	Phổ hấp thụ	Độ ổn định
TiO₂	3.2	UV	Rất cao
ZnO	3.2	UV	Trung bình
CdS	2.4	Khả kiến	Thấp
BiVO₄	2.4	Khả kiến	Trung bình

Ứng dụng trong xử lý nước thải

Phân hủy quang xúc tác được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, đặc biệt hiệu quả đối với các hợp chất hữu cơ bền vững và khó phân hủy sinh học. Những chất này bao gồm thuốc nhuộm công nghiệp, phenol, thuốc trừ sâu, dược phẩm tồn dư và các hợp chất chứa clo hoặc nitro.

Kỹ thuật thường được triển khai bằng cách phủ lớp xúc tác quang lên các tấm nền như kính, gốm hoặc hạt vi cầu, sau đó tiếp xúc trực tiếp với nước thải dưới chiếu xạ ánh sáng. Hiệu quả xử lý đạt được phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại xúc tác, thời gian chiếu sáng, cường độ ánh sáng, pH môi trường và nồng độ chất ô nhiễm.

Ví dụ, sử dụng TiO₂ để xử lý thuốc nhuộm methylene blue có thể đạt hiệu suất phân hủy trên 90% trong vòng 2 giờ dưới đèn UV. Công nghệ này cũng được tích hợp trong các hệ thống lọc nước di động hoặc bể phản ứng tuần hoàn để tăng cường tái sử dụng nước trong công nghiệp.

Ứng dụng trong làm sạch không khí

Phân hủy quang xúc tác không chỉ ứng dụng trong xử lý nước thải mà còn được khai thác hiệu quả trong công nghệ làm sạch không khí, đặc biệt là trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), khí NOx, SOx và bụi mịn. Các hệ thống này thường kết hợp lớp phủ xúc tác (thường là TiO₂) với nguồn sáng UV hoặc ánh sáng mặt trời để kích hoạt quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm có trong không khí.

Ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Lớp phủ tường, kính hoặc gạch lát chứa TiO₂ có khả năng tự làm sạch khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
• Thiết bị lọc không khí gia dụng hoặc công nghiệp tích hợp đèn UV và bộ lọc xúc tác.
• Đường giao thông hoặc tòa nhà phủ vật liệu xúc tác giúp giảm nồng độ NO₂ từ khí thải xe cộ.

Khả năng phân hủy NOx và VOCs dưới ánh sáng giúp cải thiện chất lượng không khí đô thị và môi trường sống trong nhà. Các thí nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng lớp phủ xúc tác trên mặt đường có thể giảm 20–60% hàm lượng NOx trong điều kiện nắng mạnh, trong khi các bộ lọc xúc tác UV trong phòng kín có thể làm giảm formaldehyde và benzen xuống dưới ngưỡng phát hiện.

Ứng dụng trong khử trùng và diệt khuẩn

Các gốc tự do sinh ra trong quá trình quang xúc tác có khả năng phá hủy thành tế bào, protein và DNA của vi sinh vật, từ đó vô hiệu hóa hoặc tiêu diệt chúng. Điều này làm cho quang xúc tác trở thành một giải pháp khử trùng không sử dụng hóa chất, an toàn và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực.

Ứng dụng điển hình gồm:

• Khử trùng nước uống: Thiết bị lọc nước cá nhân sử dụng đèn UV và lớp phủ TiO₂ để tiêu diệt vi khuẩn E. coli, Salmonella, virus rotavirus,…
• Làm sạch bề mặt: Lớp phủ kháng khuẩn tự làm sạch được ứng dụng trên tay nắm cửa, bàn phím, nhà vệ sinh công cộng.
• Hệ thống HVAC khử khuẩn không khí trong bệnh viện, phòng mổ hoặc kho lạnh bảo quản thực phẩm.

Quá trình diệt khuẩn không tạo ra phụ phẩm độc hại như chlorine hay ozone, không gây kích ứng và có hiệu quả trên nhiều chủng vi sinh vật, kể cả vi khuẩn kháng thuốc. Tuy nhiên, hiệu suất phụ thuộc lớn vào cường độ ánh sáng và thời gian tiếp xúc.

Thách thức và hạn chế kỹ thuật

Dù phân hủy quang xúc tác là một công nghệ đầy hứa hẹn, nhưng trong thực tế vẫn tồn tại một số hạn chế cản trở việc ứng dụng quy mô lớn. Một trong những hạn chế lớn nhất là khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến còn thấp. Đa số vật liệu xúc tác truyền thống như TiO₂ chỉ hấp thụ ánh sáng UV, chiếm dưới 5% phổ mặt trời, khiến hiệu suất xử lý ngoài trời chưa cao.

Thêm vào đó, hiện tượng tái kết hợp nhanh giữa electron và lỗ trống làm giảm lượng gốc tự do sinh ra, làm giảm hiệu suất phân hủy. Các vật liệu xúc tác có hoạt tính cao như CdS hoặc PbS tuy hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng lại kém ổn định và gây độc hại cho môi trường. Việc thiết kế hệ thống phản ứng cũng cần tính toán kỹ về thời gian chiếu sáng, tốc độ dòng, tỉ lệ xúc tác, chi phí bảo trì,… để đảm bảo tính khả thi kinh tế.

Hơn nữa, hiệu quả của quá trình phân hủy phụ thuộc vào tính chất của chất ô nhiễm. Một số chất hữu cơ có cấu trúc bền vững như polychlorinated biphenyls (PCBs), perfluorinated compounds (PFCs) hoặc microplastic có thể kháng lại quá trình oxy hóa, yêu cầu thời gian xử lý kéo dài hoặc kết hợp với phương pháp xử lý khác.

Hướng phát triển vật liệu xúc tác mới

Để vượt qua các rào cản kỹ thuật hiện tại, các nghiên cứu hiện đại đang tập trung vào việc phát triển vật liệu xúc tác mới với hiệu suất cao hơn, hoạt động tốt hơn dưới ánh sáng mặt trời và có độ bền cao. Một số hướng đi chính bao gồm:

• Đôp kim loại (Fe, Ag, Pt) hoặc phi kim (N, S, C) vào TiO₂ để điều chỉnh vùng cấm và mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng.
• Tạo dị thể (heterojunction) giữa hai bán dẫn có vùng cấm khác nhau để thúc đẩy tách cặp e⁻/h⁺.
• Kết hợp vật liệu xúc tác với graphene hoặc carbon nanotube để tăng khả năng dẫn điện và hấp phụ.
• Phát triển các cấu trúc nano như nanorod, nanotube, mesoporous để tăng diện tích bề mặt và hiệu quả chiếu sáng.

Ngoài ra, việc tích hợp công nghệ phân hủy quang xúc tác với các công nghệ xử lý khác như Fenton quang hóa, điện hóa hoặc lọc màng đang được đánh giá là hướng đi đầy triển vọng nhằm nâng cao hiệu quả tổng thể và khả năng xử lý đa dạng chất ô nhiễm.

Kết luận

Phân hủy quang xúc tác là một phương pháp xử lý môi trường sạch, hiệu quả và đa năng, có thể ứng dụng trong nước, không khí và khử trùng. Với cơ chế dựa vào ánh sáng để kích hoạt chất xúc tác bán dẫn tạo gốc tự do mạnh, công nghệ này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn an toàn với người sử dụng. Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi hơn, cần tiếp tục nghiên cứu vật liệu xúc tác mới, cải thiện hệ thống chiếu sáng và tích hợp với các công nghệ khác. Tiềm năng của quang xúc tác trong tương lai là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng và nhu cầu về công nghệ xanh ngày càng tăng.