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

Định nghĩa xúc tác quang học

Xúc tác quang học (photocatalysis) là hiện tượng tăng tốc độ phản ứng hóa học khi có ánh sáng kích thích và chất xúc tác bán dẫn. Quá trình này tận dụng năng lượng photon để tạo ra các cặp electron–lỗ trống (e⁻/h⁺) trên bề mặt chất bán dẫn, từ đó thực hiện các phản ứng oxy hóa–khử mà không cần nhiệt độ cao hay áp suất lớn.

Chất xúc tác quang học thường là các bán dẫn như TiO₂, ZnO, BiVO₄, g-C₃N₄ với năng lượng bandgap phù hợp để hấp thụ bước sóng UV hoặc khả kiến. Khi năng lượng photon ≥ bandgap, electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra lỗ trống h⁺ trong vùng hóa trị và electron e⁻ trong vùng dẫn.

Ứng dụng nổi bật của xúc tác quang học bao gồm:

• Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí.
• Khử trùng vi sinh vật gây bệnh.
• Tổng hợp hóa học chọn lọc và sản xuất nhiên liệu sạch (H₂ từ nước).

Nguyên lý cơ bản

Khi một photon có năng lượng bằng hoặc lớn hơn bandgap (E_g) của chất bán dẫn chiếu vào bề mặt xúc tác, electron ở vùng hóa trị (valence band, VB) nhận năng lượng và nhảy lên vùng dẫn (conduction band, CB), để lại lỗ trống trong VB.

Sau quá trình kích thích:

• Electron e⁻ ở CB có thể tham gia khử các chất nhận electron (ví dụ O₂ → O₂⁻·).
• Lỗ trống h⁺ ở VB có tính oxy hóa mạnh, có thể oxy hóa H₂O hoặc HO⁻ tạo ra gốc ·OH.

Phương trình tổng quát:

$\mathrm{Semiconductor} + h\nu \;\to\; e^{-}_{CB} + h^{+}_{VB}$

Vật liệu xúc tác quang học

TiO₂ (titania) là chất xúc tác quang học phổ biến nhất nhờ độ bền cao, không độc và giá thành thấp. Bandgap khoảng 3.0–3.2 eV cho phép hấp thụ ánh sáng UV. Các pha chính là anatase (hiệu suất cao) và rutile (ổn định cơ học).

ZnO có bandgap ≈ 3.3 eV, độ dẫn điện cao và khả năng tái tạo dễ dàng. Tuy nhiên ZnO kém bền trong môi trường acid và dễ hòa tan. Các vật liệu mới như BiVO₄, g-C₃N₄ và CdS đang được nghiên cứu để mở rộng hấp thụ bước sóng khả kiến.

Chiến lược cải thiện hiệu suất gồm:

• Thiết kế heterojunction (TiO₂/g-C₃N₄) giảm tái kết hợp e⁻/h⁺ – ACS Publications.
• Hợp kim plasmonic (Ag, Au) tăng hấp thụ ánh sáng – ScienceDirect.
• Điều chế nano và dopant (N, S, Fe) thay đổi bandgap và tăng diện tích bề mặt.

Cơ chế tương tác bề mặt

Bề mặt chất xúc tác quang học đóng vai trò trung tâm trong hấp phụ phân tử chất phản ứng và trung gian oxy hóa–khử. Phân tử chất phản ứng được hấp phụ lên các vị trí hoạt động (active sites), tạo điều kiện cho electron và lỗ trống tương tác trực tiếp.

Sau khi electron e⁻ và lỗ trống h⁺ hình thành, chúng di chuyển dọc bề mặt qua quá trình khuếch tán hoặc theo kênh dẫn điện tử (surface states), rồi phản ứng với phân tử adsorbate:

• e⁻ + O₂(ads) → O₂⁻·
• h⁺ + H₂O(ads) → ·OH + H⁺

Ví dụ về vai trò bề mặt:

Bước	Vai trò bề mặt
Hấp phụ	Kết dính phân tử lên active sites, tăng cường tương tác
Chuyển điện tử	Di chuyển e⁻/h⁺ qua surface states để phản ứng
Phản ứng	Hình thành và giải phóng sản phẩm (CO₂, H₂O, H₂,…)

Ứng dụng xử lý môi trường

Xúc tác quang học được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nước nhờ khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Khi chiếu tia UV hoặc ánh sáng khả kiến lên dung dịch có chất ô nhiễm và bề mặt xúc tác, các gốc ·OH và O₂⁻· sinh ra sẽ oxy hóa mạnh, phá vỡ liên kết C–C và C–X của thuốc nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ sâu và các chất hữu cơ độc hại khác.

Trong xử lý khí thải, lớp màng phủ xúc tác quang học trên bề mặt bộ lọc giúp khử NOₓ, SOₓ và các hợp chất VOCs (volatile organic compounds) ngay trong quá trình vận hành thiết bị. Các vật liệu như TiO₂ pha anatase hoặc hỗn hợp TiO₂/graphene cải thiện diện tích bề mặt và tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến.

• Phân hủy thuốc nhuộm azo, phenol, thuốc trừ sâu trong nước thải công nghiệp.
• Khử NOₓ, SOₓ trong khói thải công nghiệp và giao thông.
• Tiệt trùng vi sinh vật gây bệnh trong nước uống và môi trường y tế.

Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ

Xúc tác quang học thúc đẩy nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ nhờ khả năng tạo gốc tự do và cation/anion hoạt tính cao trong điều kiện ánh sáng. Phản ứng oxy hóa alcohol thành aldehyde hoặc ketone dưới ánh sáng xanh sử dụng các hệ xúc tác bán dẫn pha tạp hoặc ghép nối heterojunction, giảm thiểu sử dụng chất oxi hóa mạnh và nhiệt độ cao.

Trong phản ứng khử nitro thành amine, xúc tác TiO₂ pha tạp kim loại quý hoặc oxit kim loại chuyển đổi nhóm –NO₂ thành –NH₂ với độ chọn lọc cao. Các phản ứng ghép đôi C–C dưới xúc tác quang học cũng đang được phát triển để xây dựng khung thơm và dẫn xuất phức hợp, mở ra hướng xanh cho tổng hợp dược phẩm và vật liệu chức năng.

• Oxy hóa chọn lọc alcohol → aldehyde/ketone dưới ánh sáng khả kiến.
• Khử nitro → amine sử dụng TiO₂/Ag nanocomposite.
• Ghép đôi C–C và C–heteroatom trong tổng hợp khung thơm và polymer.

Kỹ thuật đánh giá hoạt tính

Phổ hấp thụ UV–Vis (Diffuse Reflectance Spectroscopy, DRS) được sử dụng để xác định bandgap của xúc tác và đo khả năng hấp thụ ánh sáng. Kết quả DRS cung cấp thông tin về bước sóng kích thích tối ưu và hiệu suất hấp thụ photon.

Phương pháp quang phát quang (Photoluminescence, PL) giúp đánh giá tốc độ tái kết hợp electron–lỗ trống. Đỉnh PL mạnh cho thấy lượng lớn cặp e⁻/h⁺ tái kết hợp không sinh ra phản ứng, trong khi tín hiệu PL yếu chứng tỏ hiệu suất phân ly và di chuyển cặp điện tích tốt.

Điện hóa trở kháng (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) và thí nghiệm dòng chronoamperometry đo khả năng chuyển điện tử và tính ổn định khi chiếu sáng. EIS hiển thị điện trở khối và điện trở mặt, giúp tối ưu hóa cấu trúc vật liệu để giảm tái kết hợp.

• UV–Vis DRS: Bandgap và hấp thụ ánh sáng.
• Photoluminescence: Hiệu suất phân ly cặp e⁻/h⁺.
• EIS: Điện trở khối và mặt, chuyển điện tử.

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng quyết định số vị trí hoạt động và khả năng hấp phụ chất phản ứng. Nano vật liệu với kích thước <50 nm thường có hiệu suất cao hơn do tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn.

Độ tinh khiết và tạp chất (dopants) như N, S, Fe điều chỉnh bandgap và tạo mức năng lượng trung gian, kéo dài phổ hấp thụ sang vùng khả kiến. Tuy nhiên, quá nhiều tạp chất có thể trở thành trung tâm tái kết hợp, giảm hoạt tính quang học.

Điều kiện phản ứng như pH, độ ẩm và nồng độ chất phản ứng ảnh hưởng đến trạng thái bề mặt và tốc độ khuếch tán. pH quá cao hoặc quá thấp có thể thay đổi điện tích bề mặt, ảnh hưởng đến hấp phụ và khả năng oxy hóa–khử.

Chiến lược cải thiện hiệu suất

Xây dựng heterojunction giữa hai hoặc nhiều bán dẫn với bandgap khác nhau giúp phân ly electron–lỗ trống hiệu quả hơn. Ví dụ, TiO₂/g-C₃N₄, ZnO/BiVO₄ giảm tái kết hợp và mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng.

Thiết kế cấu trúc plasmonic bằng cách phủ kim loại quý (Ag, Au) lên bề mặt bán dẫn tạo hiệu ứng plasmonic khuếch đại cường độ điện trường gần bề mặt, tăng hấp thụ ánh sáng và sinh ra nhiều e⁻/h⁺ hơn. Surface modification bằng polymer hoặc zeolite cũng cải thiện khả năng hấp phụ và bảo vệ bề mặt xúc tác khỏi lão hóa.

• Heterojunction bán dẫn (TiO₂/g-C₃N₄, ZnO/BiVO₄).
• Plasmonic nanocomposite (TiO₂/Ag, TiO₂/Au).
• Bổ sung polymer, zeolite bảo vệ và tăng hấp phụ.

Thách thức và xu hướng tương lai

Phát triển xúc tác quang học nhạy sáng khả kiến với độ bền cơ lý và hóa học cao là mục tiêu then chốt. Vật liệu mới như perovskite oxide, 2D materials (MoS₂, WS₂) và carbon nitride được nghiên cứu để mở rộng phổ hấp thụ và cải thiện ổn định.

Tối ưu hóa quy mô công nghiệp đòi hỏi giải quyết chi phí sản xuất, khả năng tái sử dụng và thiết kế phản ứng liên tục. Các hệ xúc tác dạng màng mỏng hoặc tích hợp vào cấu trúc reactor quang hóa sẽ là xu hướng để ứng dụng cấp công nghiệp.

Ứng dụng trong năng lượng tái tạo như phân tách nước tạo H₂, chuyển hóa CO₂ thành nhiên liệu tái sinh (methanol, methane) đang nhận được nhiều đầu tư nghiên cứu. Kết hợp xúc tác quang học với pin mặt trời, điện hóa tái tạo hứa hẹn giải pháp tích hợp toàn diện cho tương lai xanh.

Tài liệu tham khảo

• O’Regan B., Grätzel M. “A low‐cost, high‐efficiency solar cell based on dye‐sensitized colloidal TiO₂ films.” Nature. 1991;353:737–740. doi:10.1038/353737a0
• Fujishima A., Honda K. “Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode.” Nature. 1972;238:37–38. doi:10.1038/238037a0
• Linsebigler A.L., Lu G., Yates J.T. Jr. “Photocatalysis on TiO₂ surfaces: principles, mechanisms, and selected results.” Chem Rev. 1995;95(3):735–758. doi:10.1021/cr00035a013
• Chen X., Mao S.S. “Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications.” Chem Rev. 2007;107(7):2891–2959. doi:10.1021/cr0500535
• Kisch H. “Semiconductor photocatalysis—mechanistic and synthetic aspects.” Angew Chem Int Ed. 2013;52(3):812–847. doi:10.1002/anie.201204498
• National Renewable Energy Laboratory. “Photocatalysis.” https://www.nrel.gov/research/photocatalysis.html