Xúc tác quang là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa xúc tác quang

Xúc tác quang (photocatalysis) là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để kích hoạt một chất xúc tác, từ đó thúc đẩy hoặc tăng tốc phản ứng hóa học mà không làm tiêu hao chính bản thân chất xúc tác. Trong quá trình này, ánh sáng – thường là tia tử ngoại (UV) hoặc ánh sáng khả kiến – cung cấp năng lượng cần thiết để tạo ra các trạng thái kích thích trên bề mặt chất xúc tác, làm tăng khả năng xảy ra phản ứng hóa học với các phân tử tham gia.

Khác với xúc tác nhiệt thông thường, xúc tác quang có thể diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải phụ. Ngoài ra, quá trình này thường tạo ra các gốc tự do (•OH, O₂^−•) với hoạt tính oxy hóa cao, giúp phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bền vững mà các phương pháp xử lý truyền thống không thể loại bỏ hiệu quả.

Trong lĩnh vực môi trường và năng lượng, xúc tác quang được xem là công nghệ xanh đầy tiềm năng, ứng dụng trong xử lý nước thải, làm sạch không khí, diệt khuẩn, tách nước tạo hydro và khử CO₂. Một ví dụ điển hình là sử dụng TiO₂ dưới ánh sáng mặt trời để phân hủy thuốc trừ sâu hoặc thuốc kháng sinh tồn dư trong nước thải nông nghiệp.

Cơ chế phản ứng xúc tác quang

Cơ chế xúc tác quang, đặc biệt với các chất bán dẫn như TiO₂, được mô tả qua ba bước chính: hấp thụ photon, hình thành cặp electron-lỗ trống và phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt chất xúc tác. Quá trình này được kích hoạt khi năng lượng của photon ánh sáng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($E_g$) của vật liệu xúc tác.

Sau khi hấp thụ photon phù hợp, một electron (e⁻) từ vùng hóa trị (valence band) được kích thích chuyển lên vùng dẫn (conduction band), để lại một lỗ trống (h⁺) trong vùng hóa trị. Cặp e⁻/h⁺ này có thể di chuyển tới bề mặt vật liệu và tham gia vào các phản ứng với các phân tử nước, oxy hoặc chất ô nhiễm đã hấp phụ.

Các phản ứng bề mặt tiêu biểu bao gồm:

• $TiO_2 + h\nu \rightarrow e^-_{CB} + h^+_{VB}$
• $h^+_{VB} + H_2O \rightarrow \cdot OH + H^+$
• $e^-_{CB} + O_2 \rightarrow O_2^{\cdot -}$

Các gốc tự do sinh ra từ các phản ứng này sẽ tiếp tục tấn công và phân hủy các hợp chất hữu cơ, vi khuẩn hoặc tác nhân gây ô nhiễm khác. Nếu cặp e⁻/h⁺ tái tổ hợp trước khi phản ứng, hiệu suất xúc tác sẽ bị giảm đáng kể.

Phân loại xúc tác quang

Xúc tác quang có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Theo trạng thái xúc tác:

• Xúc tác quang đồng thể: chất xúc tác và chất phản ứng cùng pha (thường là lỏng), ví dụ hệ phẩm màu – ánh sáng UV.
• Xúc tác quang dị thể: chất xúc tác ở pha rắn, chất phản ứng ở pha lỏng hoặc khí, phổ biến nhất trong ứng dụng thực tế.

Phân loại theo vùng phổ ánh sáng hoạt hóa:

• UV photocatalysis: sử dụng tia tử ngoại (λ < 400 nm), điển hình như TiO₂, ZnO
• Visible-light photocatalysis: sử dụng ánh sáng khả kiến (400–700 nm), với các vật liệu như g-C₃N₄, BiVO₄

Ngoài ra, có thể phân loại theo bản chất vật liệu:

• Chất bán dẫn oxide (TiO₂, ZnO, WO₃)
• Chất bán dẫn phi kim (g-C₃N₄, MoS₂)
• Vật liệu tổ hợp: vật liệu ghép đôi dị thể, vật liệu lai với kim loại quý (Ag, Au)

Tùy theo mục đích ứng dụng, điều kiện vận hành và chi phí, người ta sẽ lựa chọn loại xúc tác quang phù hợp.

Các vật liệu xúc tác quang tiêu biểu

Các vật liệu xúc tác quang hiệu quả cần thỏa mãn ba điều kiện: hấp thụ ánh sáng hiệu quả, phân ly cặp e⁻/h⁺ nhanh và bền vững về mặt hóa học. Dưới đây là một số vật liệu tiêu biểu được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế:

Vật liệu	Dải hấp thụ	Năng lượng vùng cấm (eV)	Ưu điểm
TiO2 (Anatase)	UV	3.2	Ổn định, rẻ, không độc, dễ tổng hợp
ZnO	UV	~3.2	Hoạt tính cao, tinh thể đẹp, dẫn điện tốt
g-C3N4	Khả kiến	2.7	Hoạt động tốt dưới ánh sáng mặt trời
BiVO4	Khả kiến	2.4	Hiệu quả trong oxy hóa nước và khử hữu cơ

Trong các vật liệu trên, TiO₂ là vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất nhờ độ bền cao, giá thành rẻ và an toàn sinh học. Tuy nhiên, điểm yếu của TiO₂ là chỉ hoạt động dưới tia UV, chiếm chưa tới 5% ánh sáng mặt trời. Do đó, các vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến như g-C₃N₄ và BiVO₄ đang được chú trọng phát triển để nâng cao hiệu suất xúc tác ngoài trời.

Ứng dụng trong xử lý môi trường

Xúc tác quang là một công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường trong việc xử lý chất ô nhiễm hữu cơ, kim loại nặng, vi sinh vật và các chất khí độc hại. Khác với phương pháp xử lý hóa học hoặc sinh học truyền thống, xúc tác quang có khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất bền vững mà không để lại sản phẩm trung gian độc hại, giúp giảm thiểu nguy cơ thứ cấp và cải thiện hiệu quả xử lý tổng thể.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là xử lý nước thải chứa chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, kháng sinh, phenol, và các hợp chất thơm đa vòng. Khi sử dụng xúc tác quang như TiO₂ dưới ánh sáng UV hoặc ánh sáng mặt trời, các chất này có thể bị khoáng hóa thành CO₂ và H₂O. Bên cạnh đó, xúc tác quang còn được sử dụng trong các hệ thống:

• Diệt vi khuẩn và virus trong nước uống
• Khử mùi hôi trong không khí
• Phân hủy hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) trong nhà máy
• Loại bỏ NO_x, SO₂ từ khí thải công nghiệp

Một số vật liệu xây dựng như sơn, gạch lát và kính cũng được phủ lớp xúc tác quang nhằm tạo hiệu ứng "tự làm sạch" và khử khí độc, ví dụ như CristalACTiV™ TiO₂. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng không khí đô thị mà còn làm tăng tuổi thọ công trình.

Ứng dụng trong năng lượng và tổng hợp hóa học

Xúc tác quang đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ năng lượng sạch, đặc biệt là tách nước để sản xuất hydro – một nhiên liệu tái tạo không phát thải CO₂. Phản ứng quang phân nước: $2H_2O + h\nu \rightarrow 2H_2 + O_2$ là nền tảng của công nghệ sản xuất "hydro xanh". Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi vật liệu xúc tác có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời mạnh và hiệu suất phân tách e⁻/h⁺ cao.

Ngoài ra, xúc tác quang còn được ứng dụng trong:

• Khử CO₂ thành nhiên liệu (CH₄, CH₃OH) để giảm hiệu ứng nhà kính
• Phản ứng hữu cơ xanh không cần dung môi hoặc xúc tác kim loại nặng
• Sản xuất hóa chất giá trị cao từ nguồn sinh khối
• Quang hợp nhân tạo – mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên để tổng hợp nhiên liệu

Các hệ xúc tác lai, như TiO₂/graphene, Cu₂O/g-C₃N₄ hoặc perovskite-based photocatalysts đang được phát triển để cải thiện hiệu suất sử dụng ánh sáng khả kiến. Nhiều dự án nghiên cứu đang được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) nhằm thương mại hóa các công nghệ xúc tác quang trong năng lượng tái tạo.

Thách thức và hướng nghiên cứu mới

Mặc dù tiềm năng rất lớn, xúc tác quang vẫn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Hiệu suất xúc tác trong thực tế thường thấp hơn nhiều so với trong phòng thí nghiệm, do các yếu tố như:

• Tỷ lệ tái tổ hợp cặp e⁻/h⁺ cao
• Hạn chế hấp thụ ánh sáng khả kiến ở nhiều vật liệu phổ biến như TiO₂
• Độ bền xúc tác suy giảm sau nhiều chu kỳ sử dụng
• Khó tích hợp vào hệ thống xử lý quy mô công nghiệp với chi phí cạnh tranh

Để vượt qua các hạn chế này, hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào:

• Doping nguyên tố (N, S, C, kim loại chuyển tiếp) để điều chỉnh vùng cấm và tăng hấp thụ ánh sáng khả kiến
• Thiết kế cấu trúc nano như màng mỏng, ống nano, khung xốp để tăng diện tích tiếp xúc
• Ghép đôi vật liệu bán dẫn để tạo cấu trúc dị thể Z-scheme, tăng hiệu suất phân ly điện tích
• Kết hợp xúc tác quang với xúc tác điện hóa (photoelectrocatalysis) để tận dụng đồng thời năng lượng ánh sáng và điện

Một số hướng tiếp cận tiên tiến đang được phát triển bao gồm xúc tác quang sử dụng ánh sáng gần hồng ngoại, xúc tác quang từ vật liệu MOF (metal-organic frameworks), và xúc tác quang tích hợp cảm biến để theo dõi hiệu suất theo thời gian thực. Các công bố mới nhất có thể theo dõi trên tạp chí ACS Chemical Reviews.

Tiêu chí lựa chọn chất xúc tác quang

Để ứng dụng hiệu quả trong thực tế, chất xúc tác quang cần đáp ứng một số tiêu chí kỹ thuật và môi trường:

• Dải vùng cấm phù hợp: hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời (1.5 – 3.0 eV)
• Khả năng phân ly và chuyển điện tử hiệu quả
• Ổn định hóa học và nhiệt, bền vững sau nhiều chu kỳ sử dụng
• Không độc hại và thân thiện môi trường
• Chi phí tổng hợp thấp, dễ tích hợp vào thiết bị

Bên cạnh đó, khả năng tái sử dụng và không tạo sản phẩm phụ có hại là tiêu chí quan trọng trong xử lý nước thải, y tế và thực phẩm. Sự lựa chọn vật liệu xúc tác cần được cân nhắc kỹ lưỡng tùy theo mục đích ứng dụng và điều kiện vận hành cụ thể.

Tài liệu tham khảo

1. Kudo A, Miseki Y. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chem Soc Rev. 2009;38(1):253–278. https://doi.org/10.1039/B800489G
2. EPA Research – Photocatalytic Oxidation Technologies. https://www.epa.gov/research/photocatalytic-oxidation-technologies
3. Ohtani B. Photocatalysis A to Z – What we know and what we do not know in a scientific sense. J Photochem Photobiol C. 2010;11(4):157–178. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2011.02.001
4. ACS Chemical Reviews – Photocatalysis. https://pubs.acs.org/journal/achre4
5. DOE Hydrogen Production by Photocatalytic Water Splitting. https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-photocatalytic-water-splitting