Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, sự gia tăng nồng độ khí CO2 trong khí quyển do hoạt động sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã trở thành nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Theo ước tính, lượng CO2 thải ra hàng năm lên đến hàng tỷ tấn, đòi hỏi các giải pháp giảm thiểu hiệu quả và bền vững. Quá trình khử điện hóa CO2 được xem là một trong những phương pháp tiềm năng nhằm vừa giảm lượng khí thải, vừa tạo ra các sản phẩm năng lượng sạch có giá trị sử dụng cao. Trong đó, vật liệu xúc tác đóng vai trò then chốt quyết định hiệu suất và tính chọn lọc của quá trình.

Đồng (Cu) là kim loại duy nhất có khả năng xúc tác chuyển đổi CO2 thành các hydrocarbon có số nguyên tử carbon lớn hơn hoặc bằng 2 với hiệu suất dòng Faraday đáng kể. Tuy nhiên, khi sử dụng đồng ở dạng khối hoặc lá, hiệu suất và tính chọn lọc sản phẩm vẫn còn hạn chế. Do đó, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai hóa trên cơ sở đồng nhằm nâng cao hoạt tính xúc tác và tính bền vững là hướng đi quan trọng. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu nano đồng lai hóa với graphene và phân tử hữu cơ viologen trên đế đồng (Cu), định hướng ứng dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình khử CO2.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khả năng xúc tác khử điện hóa CO2 của các hệ vật liệu lai hóa được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng điện hóa, khảo sát tính chất điện hóa, cấu trúc bề mặt và hiệu suất xúc tác trong dung dịch KOH 1M bão hòa CO2. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu nano lai hóa có hoạt tính xúc tác cao, tính bền vững và tính chọn lọc sản phẩm được cải thiện, góp phần phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả cho công nghệ chuyển đổi CO2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Cấu trúc tinh thể và tính chất vật liệu đồng (Cu): Đồng có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt (fcc) với độ đặc khít 74%, là kim loại có khả năng phản ứng cao, đặc biệt trong xúc tác khử CO2. Vật liệu nano đồng với kích thước và định hướng tinh thể cao có thể cải thiện hiệu suất xúc tác.

  • Tính chất và ứng dụng của graphene: Graphene là vật liệu hai chiều cấu tạo từ nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác, có độ dày khoảng 0,124 nm. Graphene có độ cứng lớn, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đồng thời có tính bền vững cao trong môi trường điện hóa, làm nền vật liệu lý tưởng để hỗ trợ các hạt nano đồng.

  • Phân tử viologen và vai trò trong vật liệu lai hóa: Viologen là phân tử hữu cơ có khả năng oxi hóa khử thuận nghịch với ba trạng thái ổn định, có thể điều chỉnh đặc tính điện hóa thông qua các nhóm thế. Viologen được sử dụng để tăng cường hoạt tính xúc tác và tính chọn lọc của vật liệu lai hóa.

  • Quá trình khử điện hóa CO2: Phản ứng khử CO2 sử dụng năng lượng điện và chất xúc tác để chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm hydrocarbon và rượu có giá trị. Vật liệu Cu và các oxide của nó là chất xúc tác hiệu quả, tuy nhiên cần cải thiện hiệu suất và tính chọn lọc thông qua thiết kế vật liệu nano lai hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên hệ vật liệu nano đồng lai hóa với graphene và viologen, bao gồm các phép đo điện hóa, hình ảnh bề mặt và phổ quang học.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Các hệ vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng điện hóa (Chronoamperometry - CA) trên hệ điện cực ba điện cực gồm điện cực làm việc (vật liệu lai hóa), điện cực so sánh Ag/AgCl và điện cực phụ trợ Pt. Thời gian lắng đọng được điều chỉnh để kiểm soát kích thước và mật độ hạt nano đồng.

  • Phương pháp phân tích và đặc trưng vật liệu:

    • Thế quét vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV) để khảo sát tính chất điện hóa.
    • Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear Sweep Voltammetry - LSV) để đánh giá hoạt tính xúc tác khử CO2.
    • Hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy - AFM) và hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (Scanning Tunneling Microscopy - STM) để khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc ở cấp độ nano.
    • Phổ Raman để kiểm tra tính bền vững và cấu trúc vật liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát vật liệu được thực hiện trong năm 2023 tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các bước tổng hợp, đặc trưng và đánh giá hoạt tính xúc tác được tiến hành liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công hệ vật liệu CuNP/G: Hệ vật liệu nano đồng dạng hạt (CuNP) trên nền graphene được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng điện hóa với thời gian 10s và 40s, tạo ra các hạt nano đồng có kích thước phân bố từ 10 đến 200 nm. Mật độ hạt và kích thước trung bình tăng theo thời gian lắng đọng, với kích thước trung bình khoảng 40 nm ở 10s và 80-90 nm ở 40s. Hình ảnh AFM và STM cho thấy phân bố đồng đều các hạt nano trên bề mặt graphene.

  2. Tính bền vững của màng graphene: Phổ Raman và hình ảnh AFM, STM sau khi thực hiện phép đo CV cho thấy màng graphene trên đế đồng không bị hư hỏng, duy trì cấu trúc lục giác đặc trưng và không xuất hiện đỉnh D đặc trưng cho sai hỏng bề mặt.

  3. Hoạt tính xúc tác khử CO2 của CuNP/G: Phép đo LSV trong dung dịch KOH 1M bão hòa CO2 cho thấy hệ vật liệu CuNP/G có thế khử CO2 dịch chuyển về phía dương (-0.95V so với Ag/AgCl) so với màng graphene nguyên bản (-1.15V). Mật độ dòng khử CO2 tại -1.4V tăng từ 1 mA/mm² (graphene) lên 4 mA/mm² (CuNP10/G) và 5 mA/mm² (CuNP40/G). Hiệu suất xúc tác khử CO2 của CuNP10/G đạt khoảng 76.8%.

  4. Nâng cao hiệu suất xúc tác với vật liệu lai hóa DBV0/CuNP40/G: Lớp phân tử dibenzyl viologen (DBV0) được lắng đọng điện hóa lên hệ CuNP40/G tạo thành hệ vật liệu ba thành phần. Hình ảnh AFM cho thấy phân tử DBV0 phân bố đồng đều, chèn vào các khoảng trống giữa các hạt nano đồng. Phép đo LSV cho thấy thế khử CO2 dịch chuyển sớm hơn (-0.9V) và mật độ dòng khử tăng lên 14 mA/mm² tại -1.4V, tương ứng hiệu suất xúc tác đạt 91.4%, cao hơn 11% so với hệ CuNP40/G.

Thảo luận kết quả

Việc tăng thời gian lắng đọng điện hóa làm tăng kích thước và mật độ hạt nano đồng trên graphene, từ đó tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện hiệu suất xúc tác. Màng graphene có tính bền vững cao, không bị phá hủy trong quá trình điện hóa, đảm bảo vai trò làm nền ổn định cho các hạt nano đồng.

Sự có mặt của phân tử DBV0 trên bề mặt CuNP40/G làm tăng khả năng trao đổi electron và ổn định các trung gian phản ứng trong quá trình khử CO2, dẫn đến tăng mật độ dòng khử và hiệu suất xúc tác. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vai trò của các phân tử hữu cơ trong việc cải thiện tính chọn lọc và hoạt tính xúc tác của vật liệu lai hóa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ LSV so sánh mật độ dòng khử CO2 của các hệ vật liệu, cùng bảng tổng hợp kích thước hạt nano và hiệu suất xúc tác tương ứng, giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu quả khi áp dụng vật liệu lai hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình lắng đọng điện hóa: Điều chỉnh thời gian và điện thế lắng đọng để kiểm soát kích thước và mật độ hạt nano đồng, nhằm đạt hiệu suất xúc tác tối ưu. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6 tháng, do các phòng thí nghiệm chuyên sâu thực hiện.

  2. Phát triển vật liệu lai hóa đa thành phần: Mở rộng nghiên cứu kết hợp các phân tử hữu cơ khác với nano đồng và graphene để tăng cường tính chọn lọc sản phẩm khử CO2, hướng đến các sản phẩm hydrocarbon có giá trị cao. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu vật liệu và hóa học.

  3. Ứng dụng trong hệ thống điện phân CO2 quy mô phòng thí nghiệm: Triển khai thử nghiệm hệ vật liệu DBV0/CuNP40/G trong các thiết bị điện phân CO2 để đánh giá hiệu suất và độ bền trong điều kiện vận hành thực tế. Thời gian thử nghiệm 6-12 tháng, do các trung tâm nghiên cứu năng lượng thực hiện.

  4. Nghiên cứu cơ chế xúc tác chi tiết: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như quang phổ in situ, mô phỏng lý thuyết để làm sáng tỏ cơ chế tăng cường xúc tác của phân tử viologen trên bề mặt nano đồng. Thời gian nghiên cứu 1 năm, phối hợp với các chuyên gia hóa lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu xúc tác: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano đồng lai hóa, giúp phát triển các vật liệu xúc tác mới cho khử CO2 và các ứng dụng điện hóa khác.

  2. Chuyên gia công nghệ năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất và tính bền vững của vật liệu xúc tác hỗ trợ thiết kế các hệ thống chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu sạch, góp phần phát triển năng lượng bền vững.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, kỹ thuật phân tích và ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực điện hóa.

  4. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và năng lượng: Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong phát triển sản phẩm xúc tác khử CO2, hỗ trợ các giải pháp giảm phát thải khí nhà kính và sản xuất nhiên liệu sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nano đồng lai hóa có ưu điểm gì so với đồng dạng khối?
    Vật liệu nano đồng có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng cường hoạt tính xúc tác và khả năng kiểm soát sản phẩm khử CO2, đồng thời giảm thế khử cần thiết, giúp tiết kiệm năng lượng.

  2. Tại sao chọn graphene làm nền cho vật liệu nano đồng?
    Graphene có tính dẫn điện cao, độ bền cơ học và hóa học tốt, giúp ổn định các hạt nano đồng, đồng thời hỗ trợ truyền electron hiệu quả trong quá trình xúc tác.

  3. Phân tử viologen đóng vai trò gì trong vật liệu lai hóa?
    Viologen có khả năng oxi hóa khử thuận nghịch, giúp tăng cường trao đổi electron và ổn định các trung gian phản ứng, từ đó nâng cao hiệu suất và tính chọn lọc của quá trình khử CO2.

  4. Phương pháp lắng đọng điện hóa có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước và mật độ hạt nano, dễ dàng thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm, chi phí thấp và phù hợp với nhiều loại vật liệu.

  5. Hiệu suất xúc tác của hệ DBV0/CuNP40/G so với CuNP40/G tăng bao nhiêu phần trăm?
    Hiệu suất xúc tác của hệ DBV0/CuNP40/G tăng khoảng 11% so với CuNP40/G, thể hiện qua mật độ dòng khử CO2 tăng từ 5 mA/mm² lên 14 mA/mm² tại điện thế -1.4V so với Ag/AgCl.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công các hệ vật liệu nano đồng lai hóa trên nền graphene và phân tử viologen bằng phương pháp lắng đọng điện hóa với kích thước hạt nano từ 10 đến 200 nm.
  • Màng graphene có tính bền vững cao, không bị phá hủy trong quá trình điện hóa, đảm bảo vai trò làm nền ổn định cho các hạt nano đồng.
  • Hệ vật liệu CuNP/G cải thiện đáng kể hoạt tính xúc tác khử CO2 so với graphene nguyên bản, với hiệu suất xúc tác đạt khoảng 76.8%.
  • Việc phủ thêm phân tử DBV0 lên CuNP40/G nâng cao hiệu suất xúc tác lên 91.4%, tăng 11% so với hệ không có DBV0.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nghiên cứu cơ chế xúc tác và ứng dụng trong hệ thống điện phân CO2 quy mô phòng thí nghiệm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển vật liệu xúc tác hiệu quả, góp phần giảm phát thải CO2 và thúc đẩy năng lượng sạch.