I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Tại ĐHQGHN 2024
Công nghệ nano phát triển cùng vật liệu mới và ứng dụng cao mang đến thành tựu trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là môi trường. Các vật liệu bán dẫn làm xúc tác quang đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường và tạo nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái sinh từ việc tách nước tinh khiết thành H2 và O2. Một số chất bán dẫn đã được sử dụng làm chất xúc tác quang hiệu quả như ZnO, TiO2, Zn2Ti04, CdS, WO3, các muối tungstate. Trong đó TiO2 và ZnO được nghiên cứu nhiều nhất. Mặc dù vậy, do có vùng cấm rộng nên chúng chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, vùng mà chỉ chiếm khoảng 5% tổng lượng photon ánh sáng mặt trời. Để sử dụng ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để các vật liệu có khả năng trong vùng khả kiến và cải thiện hoạt tính xúc tác quang của chúng.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Nghiên Cứu Vật Liệu Mới
Nghiên cứu vật liệu mới là một lĩnh vực liên ngành, kết hợp kiến thức từ hóa học, vật lý, kỹ thuật và khoa học vật liệu. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu có tính chất vượt trội so với các vật liệu truyền thống, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Các vật liệu mới có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ năng lượng, điện tử, y sinh đến xây dựng và bảo vệ môi trường. Đại học Quốc Gia Hà Nội (ĐHQGHN) là một trong những trung tâm nghiên cứu hàng đầu về vật liệu mới ở Việt Nam.
1.2. Vai Trò Của Hóa Học Trong Nghiên Cứu Vật Liệu Mới
Hóa học đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế, tổng hợp và điều chỉnh tính chất của vật liệu mới. Các nhà hóa học sử dụng các phản ứng hóa học để tạo ra các cấu trúc phân tử phức tạp, từ đó tạo ra các vật liệu có cấu trúc và tính chất mong muốn. Hóa học cũng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu, từ đó cải thiện hiệu suất và độ bền của chúng. Theo Đoàn Duy Hùng, việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite là một hướng đi tiềm năng.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Tại ĐHQGHN 2024
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của thế giới về mọi mặt, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp đã tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con người đã vô tình dần hủy hoại môi trường sống của mình do các chất thải ra từ các công đoạn sản xuất mà không qua xử lý hoặc xử lý không triệt để. Ô nhiễm môi trường bao gồm ba loại chính là: ô nhiễm không khí, ô nhiễm đất và ô nhiễm nguồn nước. Ở Việt Nam hiện nay, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn còn là vấn đề rất đáng lo ngại.
2.1. Vấn Đề Ô Nhiễm Môi Trường Do Vật Liệu Cũ
Việc sử dụng các vật liệu truyền thống trong sản xuất và đời sống đã gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các vật liệu này thường khó phân hủy, gây tích tụ chất thải và ô nhiễm nguồn nước, đất. Ngoài ra, quá trình sản xuất các vật liệu này cũng tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên thiên nhiên. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết.
2.2. Khó Khăn Trong Tổng Hợp Vật Liệu Mới Hiệu Quả
Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu vật liệu mới là tìm ra các phương pháp tổng hợp hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Việc tổng hợp các vật liệu có cấu trúc phức tạp và tính chất đặc biệt đòi hỏi kỹ thuật cao và trang thiết bị hiện đại. Bên cạnh đó, việc kiểm soát chất lượng và độ tinh khiết của vật liệu cũng là một vấn đề nan giải. Theo Đoàn Duy Hùng, việc biến tính vật liệu để cải thiện hiệu suất xúc tác quang là một hướng đi đầy hứa hẹn.
2.3. Thiếu Hụt Nguồn Lực Đầu Tư Nghiên Cứu
Nghiên cứu vật liệu mới đòi hỏi nguồn lực đầu tư lớn về cơ sở vật chất, trang thiết bị và nhân lực. Tuy nhiên, nguồn lực đầu tư cho lĩnh vực này ở Việt Nam còn hạn chế, gây khó khăn cho các nhà khoa học trong việc triển khai các dự án nghiên cứu quy mô lớn và dài hạn. Việc tăng cường hợp tác quốc tế và thu hút đầu tư từ các doanh nghiệp là giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề này.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Mới Tại Khoa Hóa ĐHQGHN
Thành phần chủ yếu trong nước thải của các cơ sở công nghiệp như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm,… chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ,. Trong đó do tính tan cao nên các thuốc nhuộm là tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả là tổn hại đến con người và các sinh vật sống. Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxy hóa. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của con người, siết chặt công tác quản lý môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn.
3.1. Tổng Hợp Vật Liệu Nano Bằng Phương Pháp Hóa Học
Phương pháp hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước, hình dạng và thành phần của vật liệu một cách chính xác. Các phương pháp hóa học thường được sử dụng bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp nhiệt phân. Các nhà nghiên cứu tại ĐHQGHN đã có nhiều thành công trong việc tổng hợp các vật liệu nano bằng phương pháp hóa học.
3.2. Ứng Dụng Phản Ứng Hóa Học Trong Điều Chỉnh Tính Chất
Các phản ứng hóa học có thể được sử dụng để điều chỉnh tính chất của vật liệu mới. Ví dụ, phản ứng ghép chức năng có thể được sử dụng để gắn các nhóm chức năng đặc biệt lên bề mặt vật liệu, từ đó thay đổi tính chất hóa học, vật lý và sinh học của chúng. Phản ứng oxy hóa khử cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh trạng thái oxy hóa của các nguyên tố trong vật liệu, từ đó thay đổi tính chất điện và quang của chúng. Theo Đoàn Duy Hùng, việc pha tạp vật liệu với các nguyên tố phi kim có thể cải thiện hoạt tính xúc tác quang.
IV. Ứng Dụng Vật Liệu Mới Nghiên Cứu Tại ĐHQGHN 2024
Cho nên việc xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ độc hại trong môi trường bị ô nhiễm là mối quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai con người. Để xử lý môi trường có rất nhiều phương pháp khác nhau như vật lý, sinh học hay hóa học hoặc sự kết hợp giữa các phương pháp đó. Trong số các phương pháp nêu trên, hóa học có rất nhiều lợi thế, đặc biệt đối với chất ô nhiễm hữu cơ bền. Một trong những phương pháp đang hấp dẫn các nhà khoa học là xử lý các hợp chất trong nước sử dụng phản ứng phân hủy bởi xúc tác quang dưới điều kiện ánh sáng khả kiến, bởi chúng sử dụng được nguồn năng lượng có sẵn đó là ánh sáng mặt trời và tác nhân oxy không khí.
4.1. Vật Liệu Y Sinh Ứng Dụng Trong Chẩn Đoán Và Điều Trị
Vật liệu y sinh là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của vật liệu mới. Các vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị chẩn đoán, thuốc điều trị và vật liệu cấy ghép. Các nhà nghiên cứu tại ĐHQGHN đã phát triển nhiều vật liệu y sinh có tính tương thích sinh học cao, khả năng kháng khuẩn và khả năng thúc đẩy quá trình tái tạo mô. Các vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.
4.2. Vật Liệu Năng Lượng Ứng Dụng Trong Pin Mặt Trời
Vật liệu năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Các vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra các pin mặt trời hiệu suất cao, các thiết bị lưu trữ năng lượng và các chất xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa năng lượng. Các nhà nghiên cứu tại ĐHQGHN đang nỗ lực phát triển các vật liệu năng lượng mới có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, lưu trữ năng lượng lâu hơn và hoạt động ổn định hơn.
4.3. Vật Liệu Xúc Tác Ứng Dụng Trong Xử Lý Môi Trường
Vật liệu xúc tác được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý môi trường, như xử lý nước thải, xử lý khí thải và khử ô nhiễm đất. Các vật liệu này có khả năng tăng tốc các phản ứng hóa học phân hủy các chất ô nhiễm, từ đó làm sạch môi trường. Các nhà nghiên cứu tại ĐHQGHN đã phát triển nhiều vật liệu xúc tác có hoạt tính cao, độ bền tốt và khả năng tái sử dụng. Theo Đoàn Duy Hùng, việc sử dụng vật liệu composite có thể cải thiện hiệu suất xúc tác quang.
V. Kết Luận Triển Vọng Vật Liệu Mới Tại ĐHQGHN 2024
Tuy nhiên, điều quyết định ở đây là xúc tác. Thông thường người ta sử dụng chất bán dẫn để làm chất xúc tác quang, trong đó các oxit kim loại được quan tâm nhiều nhất. Tuy nhiên, oxit kim loại thường chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại. Vì thế nhiều nhà khoa học đã quan tâm đến việc biến tính các oxit này để có thể sử dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
5.1. Tổng Kết Các Thành Tựu Nghiên Cứu Vật Liệu Mới
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu tại ĐHQGHN đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong lĩnh vực vật liệu mới. Các thành tựu này bao gồm việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, khám phá các tính chất độc đáo của vật liệu và ứng dụng vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các thành tựu này đã góp phần nâng cao vị thế của ĐHQGHN trong cộng đồng khoa học quốc tế.
5.2. Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Trong Tương Lai
Trong tương lai, nghiên cứu vật liệu mới tại ĐHQGHN sẽ tập trung vào các hướng sau: phát triển các vật liệu thông minh có khả năng tự điều chỉnh, tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano phức tạp và ứng dụng vật liệu trong các lĩnh vực mới như trí tuệ nhân tạo và năng lượng tái tạo. Việc tăng cường hợp tác quốc tế và thu hút các nhà khoa học trẻ tài năng là yếu tố then chốt để đạt được các mục tiêu này.
VI. Đánh Giá Vật Liệu G C3N4 Trong Nghiên Cứu Hóa Học Hiện Nay
Thời gian gần đây, một loại vật liệu bán dẫn không kim loại, dạng polymer của carbon Nitride có cấu trúc như graphit (g - C3N4) rất được quan tâm. Vật liệu này ưu điểm là có năng lượng vùng cấm bé, khoảng 2.7 eV có thể hoạt động dưới vùng ánh sáng mặt trời, có thể tổng hợp lượng lớn, bền hóa. Tuy nhiên ở dạng nguyên chất, g - C3N4 có nhược điểm là dễ tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh, dẫn đến hiệu suất xúc tác kém.
6.1. Tổng Quan Về Vật Liệu G C3N4
G-C3N4 là một vật liệu bán dẫn không kim loại, có cấu trúc lớp tương tự như graphit. Nó được tạo thành từ các đơn vị triazine hoặc heptazine liên kết với nhau thông qua các nguyên tử nitơ. G-C3N4 có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, dễ tổng hợp, bền nhiệt và hóa học, và có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.
6.2. Ứng Dụng Của G C3N4 Trong Xúc Tác Quang
G-C3N4 đã được chứng minh là một chất xúc tác quang hiệu quả cho nhiều phản ứng, bao gồm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, khử CO2 và sản xuất hydro từ nước. Tuy nhiên, hiệu suất xúc tác của G-C3N4 nguyên chất còn hạn chế do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống cao. Do đó, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện hiệu suất xúc tác của G-C3N4 bằng cách biến tính nó với các vật liệu khác.
