I. Ce MOFs Vật liệu quang xúc tác thế hệ mới ưu việt
Vật liệu khung hữu cơ-kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) đang mở ra một chương mới trong khoa học vật liệu nhờ cấu trúc độc đáo và tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Trong số đó, vật liệu MOFs mang tâm kim loại Cerium, hay còn gọi là Ce-MOFs, nổi lên như một ứng cử viên sáng giá cho lĩnh vực xúc tác, đặc biệt là xúc tác quang dị thể. Cerium, một kim loại đất hiếm, sở hữu các trạng thái oxy hóa linh hoạt (ion Cerium (Ce³⁺/Ce⁴⁺)), tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng oxy hóa-khử, nền tảng của quá trình quang xúc tác. Cấu trúc của Ce-MOFs được hình thành từ sự liên kết phối trí giữa các ion hoặc cụm ion Cerium và các phân tử hữu cơ đóng vai trò là cầu nối (linker hữu cơ). Sự kết hợp này tạo ra một mạng lưới không gian ba chiều có độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn và các tâm kim loại hoạt động được phân bố đồng đều. Chính những đặc tính này giúp Ce-MOFs khắc phục được nhiều nhược điểm của các vật liệu quang xúc tác truyền thống như TiO₂ hay ZnO, ví dụ như khả năng hấp thụ ánh sáng hạn chế trong vùng ánh sáng khả kiến (visible light) và hiện tượng tái tổ hợp electron-lỗ trống diễn ra nhanh chóng làm giảm hiệu suất. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ-kim loại Ce như CAU-19-H và CAU-19-Cu từ muối Cerium và linker porphyrin đã chứng minh tiềm năng to lớn này. Các vật liệu này không chỉ sở hữu các đặc tính cấu trúc vượt trội mà còn cho thấy hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ trong việc phân hủy các chất ô nhiễm, mở đường cho các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và bền vững.
1.1. Khám phá khung hữu cơ kim loại Ce và tiềm năng
Vật liệu khung hữu cơ-kim loại Ce là một phân lớp chuyên biệt của MOFs, trong đó tâm kim loại là Cerium. Sự đặc biệt của Cerium nằm ở khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái oxy hóa Ce³⁺ và Ce⁴⁺. Đặc tính này tạo ra các "sai hỏng" ôxy trong mạng lưới tinh thể, hoạt động như những tâm hoạt động xúc tác, giúp tăng cường khả năng hấp thụ photon và tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e⁻/h⁺) khi được chiếu sáng. Các linker hữu cơ, thường là các phân tử chứa nhóm carboxylate như porphyrin (H₄TCPP), không chỉ đóng vai trò kết nối mà còn có thể điều chỉnh năng lượng vùng cấm (band gap) của vật liệu. Bằng cách thay đổi cấu trúc của linker, có thể tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, dịch chuyển ngưỡng hấp thụ từ vùng bức xạ UV sang vùng ánh sáng khả kiến, chiếm phần lớn phổ năng lượng mặt trời. Sự kết hợp giữa tâm kim loại đất hiếm và linker hữu cơ đa chức năng tạo ra một vật liệu lai với những ưu điểm cộng hưởng, hứa hẹn hiệu quả vượt trội trong các ứng dụng quang xúc tác.
1.2. Đặc tính vượt trội của vật liệu MOF xốp
Vật liệu MOF xốp sở hữu nhiều đặc tính cấu trúc ưu việt. Đầu tiên là diện tích bề mặt riêng cực lớn, thường đạt hàng nghìn m²/g, ví dụ CAU-19-H có diện tích bề mặt BET lên tới 600 m²/g. Diện tích bề mặt khổng lồ này cung cấp vô số vị trí hoạt động cho các phản ứng xúc tác diễn ra. Thứ hai, kích thước và hình dạng lỗ xốp có thể được kiểm soát chính xác trong quá trình tổng hợp bằng cách lựa chọn các linker hữu cơ có chiều dài và cấu trúc khác nhau. Điều này cho phép tạo ra các vật liệu có tính chọn lọc cao, chỉ cho phép các phân tử có kích thước phù hợp đi vào và tương tác với các tâm xúc tác. Thứ ba, cấu trúc tinh thể có trật tự cao giúp các nhà khoa học dễ dàng nghiên cứu và làm sáng tỏ cơ chế quang xúc tác ở cấp độ phân tử. Những đặc tính này làm cho MOFs trở thành một nền tảng lý tưởng để thiết kế các chất xúc tác dị thể hiệu suất cao, ổn định và có thể tái sử dụng.
II. Thách thức xử lý nước thải chứa ion Crom VI độc hại
Ô nhiễm kim loại nặng là một trong những vấn đề môi trường cấp bách nhất hiện nay, và Crom hóa trị sáu (Cr(VI)) được xem là một trong những tác nhân nguy hiểm hàng đầu. Cr(VI) thường tồn tại trong nước thải từ các ngành công nghiệp như mạ điện, thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm và luyện kim. Không giống như Cr(III) là một vi chất cần thiết, Cr(VI) có độc tính cao, khả năng gây ung thư và đột biến gen. Nó tồn tại trong nước dưới dạng các anion linh động như CrO₄²⁻ và HCrO₄⁻, dễ dàng lan truyền trong môi trường nước và xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Việc xử lý nước thải chứa Cr(VI) đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion hay hấp phụ bằng than hoạt tính thường bộc lộ những hạn chế. Phương pháp kết tủa tạo ra lượng bùn thải lớn và khó xử lý. Trao đổi ion và hấp phụ có chi phí vận hành cao và vật liệu nhanh chóng bị bão hòa, đòi hỏi quá trình tái sinh phức tạp. Do đó, việc tìm kiếm một phương pháp hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường để loại bỏ Cr(VI) là cực kỳ cần thiết. Quang xúc tác nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, có khả năng khử Cr(VI) độc hại thành Cr(III) ít độc hơn chỉ bằng năng lượng ánh sáng và chất xúc tác. Hướng đi này không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn hướng tới một quy trình xử lý nước thải xanh và bền vững.
2.1. Nguồn gốc và độc tính của chất ô nhiễm hữu cơ Cr VI
Cr(VI) là một chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ nguy hiểm, phát sinh chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp. Trong môi trường nước, sự tồn tại của nó phụ thuộc vào độ pH. Ở pH > 6, dạng CrO₄²⁻ chiếm ưu thế, trong khi ở môi trường axit (pH < 6), HCrO₄⁻ là dạng chủ yếu. Cả hai dạng này đều tan tốt trong nước và có khả năng oxy hóa mạnh, gây ra độc tính tế bào nghiêm trọng. Khi xâm nhập vào cơ thể sống, Cr(VI) có thể dễ dàng đi qua màng tế bào. Bên trong tế bào, nó bị khử thành Cr(III), quá trình này tạo ra các gốc tự do và các dạng Crom trung gian có hoạt tính cao, gây tổn thương DNA, protein và lipid. Tiếp xúc lâu dài với Cr(VI), dù ở nồng độ thấp, cũng làm tăng nguy cơ mắc các bệnh về đường hô hấp, viêm da, tổn thương gan, thận và đặc biệt là ung thư phổi. Do những tác động nguy hiểm này, các quy định về môi trường ngày càng siết chặt giới hạn nồng độ Cr(VI) trong nước thải và nước uống, thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về các công nghệ xử lý hiệu quả.
2.2. Hạn chế của quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ
Quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ như Cr(VI) bằng các phương pháp truyền thống gặp nhiều rào cản. Các phương pháp vật lý như hấp phụ chỉ đơn thuần chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng sang pha rắn, tạo ra chất thải thứ cấp cần được xử lý tiếp. Các phương pháp hóa học như kết tủa đòi hỏi sử dụng một lượng lớn hóa chất và việc kiểm soát pH nghiêm ngặt. Các phương pháp sinh học tuy thân thiện với môi trường nhưng thường có hiệu suất thấp và nhạy cảm với sự thay đổi của điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH và sự có mặt của các chất độc khác. Đặc biệt, việc xử lý Cr(VI) ở nồng độ thấp là một thách thức lớn đối với nhiều công nghệ. Hiệu ứng quang xúc tác sử dụng các vật liệu bán dẫn như Ce-MOFs mang lại một giải pháp thay thế vượt trội, cho phép chuyển hóa hoàn toàn chất độc thành dạng ít độc hơn, không tạo ra sản phẩm phụ nguy hiểm và có thể hoạt động hiệu quả ngay cả ở nồng độ ô nhiễm thấp.
III. Phương pháp tổng hợp vật liệu Ce MOFs hiệu suất cao
Việc tổng hợp thành công vật liệu Ce-MOFs với cấu trúc mong muốn và hoạt tính cao là yếu tố then chốt quyết định hiệu quả ứng dụng. Trong các phương pháp hiện có, tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) và tổng hợp solvothermal là hai kỹ thuật được sử dụng phổ biến và hiệu quả nhất. Các phương pháp này dựa trên việc tiến hành phản ứng kết tinh trong một hệ kín (thường là bình autoclave hoặc vial chịu nhiệt) ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điều kiện thường. Trong nghiên cứu tổng hợp CAU-19-H và CAU-19-Cu, phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal) đã được áp dụng. Cụ thể, muối tiền chất chứa ion Cerium (Ce⁴⁺), (NH₄)₂[Ce(NO₃)₆], được hòa tan cùng với linker hữu cơ porphyrin (H₄TCPP hoặc Cu-H₄TCPP) và acid benzoic trong dung môi hỗn hợp DMF/nước. Hỗn hợp này sau đó được gia nhiệt ở 120°C trong 24 giờ. Nhiệt độ và áp suất cao trong quá trình phản ứng thúc đẩy quá trình hòa tan và kết tinh lại của các tác chất, tạo điều kiện hình thành các tinh thể MOF có độ trật tự và độ tinh khiết cao. Việc lựa chọn dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ các chất tham gia đều ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, hình thái và kích thước của sản phẩm cuối cùng. Quy trình này cho phép sản xuất vật liệu với hiệu suất tốt và có thể kiểm soát được các đặc tính hóa lý quan trọng cho ứng dụng xúc tác quang dị thể.
3.1. Quy trình tổng hợp thủy nhiệt và solvothermal tiên tiến
Quy trình tổng hợp thủy nhiệt sử dụng nước làm dung môi, trong khi tổng hợp solvothermal sử dụng các dung môi hữu cơ hoặc hỗn hợp dung môi. Cả hai đều là kỹ thuật tiên tiến để tạo ra các vật liệu nano có độ kết tinh cao. Ưu điểm chính của các phương pháp này là khả năng kiểm soát quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể. Bằng cách điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, áp suất và nồng độ, có thể thu được các sản phẩm với hình thái đa dạng (dạng lăng trụ, hình que, hình cầu) và kích thước hạt ở thang đo nanomet. Đối với Ce-MOFs, việc sử dụng dung môi hỗn hợp như DMF và nước trong phương pháp solvothermal giúp cải thiện độ hòa tan của cả tiền chất kim loại và linker hữu cơ, đồng thời đóng vai trò như một chất điều chỉnh cấu trúc, dẫn đến sự hình thành pha tinh thể mong muốn của CAU-19. Sau quá trình tổng hợp, vật liệu được lọc, rửa kỹ bằng DMF và acetone để loại bỏ các tác chất dư thừa và dung môi còn sót lại trong lỗ xốp, sau đó được hoạt hóa bằng cách gia nhiệt để sẵn sàng cho các bước khảo sát tiếp theo.
3.2. Vai trò của linker hữu cơ và ion Cerium Ce³ Ce⁴
Trong cấu trúc Ce-MOFs, cả linker và ion kim loại đều đóng vai trò quyết định. Linker hữu cơ porphyrin (H₄TCPP) không chỉ là cầu nối tạo nên bộ khung không gian ba chiều mà còn là một đơn vị hoạt động quang học. Vòng porphyrin có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng khả kiến, hoạt động như một chất nhạy quang, giúp mở rộng phổ hấp thụ của vật liệu. Mặt khác, cụm kim loại {Ce₆O₈} đóng vai trò là đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) và là trung tâm của hiệu ứng quang xúc tác. Sự chuyển đổi thuận nghịch giữa ion Cerium (Ce³⁺/Ce⁴⁺) tạo ra các vị trí trống oxy, giúp bẫy các electron được kích thích quang học, qua đó làm chậm quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống và kéo dài thời gian sống của các hạt tải điện. Sự tương tác cộng hưởng giữa linker nhạy quang và cụm kim loại hoạt động redox là chìa khóa tạo nên hoạt tính quang xúc tác vượt trội của vật liệu khung hữu cơ-kim loại Ce.
IV. Cách đặc trưng hóa vật liệu Ce MOFs sau tổng hợp
Sau khi tổng hợp, việc đặc trưng hóa vật liệu là bước không thể thiếu để xác nhận sự hình thành cấu trúc, đánh giá độ tinh khiết, và tìm hiểu các tính chất hóa lý quan trọng. Đây là cơ sở để giải thích hoạt tính quang xúc tác và tối ưu hóa vật liệu. Một loạt các kỹ thuật phân tích hiện đại được sử dụng. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) dạng bột là công cụ cơ bản nhất để xác định cấu trúc tinh thể và độ đơn pha của vật liệu. Bằng cách so sánh giản đồ XRD thực nghiệm với giản đồ mô phỏng, có thể khẳng định vật liệu đã được tổng hợp thành công với cấu trúc dự kiến. Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FT-IR) được dùng để xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức đặc trưng trong linker hữu cơ và sự hình thành liên kết phối trí giữa kim loại và linker. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cung cấp thông tin về độ bền nhiệt của vật liệu và thành phần các phân tử dung môi còn lại trong cấu trúc. Hình thái học bề mặt, kích thước và sự phân bố nguyên tố được khảo sát chi tiết bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Cuối cùng, diện tích bề mặt BET được xác định qua phép đo hấp phụ-giải hấp phụ N₂ ở nhiệt độ thấp, đây là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng xúc tác của vật liệu xốp.
4.1. Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X XRD
Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) là tiêu chuẩn vàng để xác nhận cấu trúc tinh thể của MOFs. Trong nghiên cứu này, giản đồ XRD của hai vật liệu CAU-19-H và CAU-19-Cu sau khi hoạt hóa cho thấy các đỉnh nhiễu xạ sắc nét, tương đồng hoàn toàn với giản đồ được mô phỏng từ dữ liệu tinh thể đơn. Điều này chứng tỏ vật liệu đã được tổng hợp thành công với độ trật tự cấu trúc cao và độ đơn pha tinh khiết. Sự tương đồng giữa hai mẫu cũng cho thấy việc chèn thêm ion Cu²⁺ vào tâm của linker porphyrin không làm thay đổi cấu trúc khung tổng thể của vật liệu. Kết quả XRD là bằng chứng vững chắc đầu tiên khẳng định sự hình thành của pha Ce-MOFs mong muốn, tạo tiền đề cho các phân tích sâu hơn về tính chất và hoạt động của chúng.
4.2. Xác định hình thái qua kính hiển vi điện tử quét SEM
Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy thông tin trực quan về hình thái và kích thước của các hạt vật liệu. Kết quả phân tích cho thấy cả CAU-19-H và CAU-19-Cu đều có cấu trúc dạng hạt hình lăng trụ, với kích thước ở thang đo micromet và nanomet. Các hạt có độ kết tụ cao, một đặc điểm thường thấy trong quá trình tổng hợp solvothermal. Cụ thể, CAU-19-H có kích thước khoảng 200 x 400 nm, trong khi CAU-19-Cu có kích thước nhỏ hơn một chút, khoảng 200 x 200 nm. Hình thái đồng nhất này là một yếu tố thuận lợi cho ứng dụng xúc tác. Phân tích EDX đi kèm đã xác nhận sự hiện diện và phân bố đồng đều của các nguyên tố C, O, N và Ce trong mẫu CAU-19-H, và thêm nguyên tố Cu trong mẫu CAU-19-Cu. Điều này một lần nữa chứng minh sự thành công của quá trình tổng hợp và việc chèn tâm kim loại đồng vào cấu trúc linker.
4.3. Đánh giá diện tích bề mặt BET và độ bền quang xúc tác
Độ bền và diện tích bề mặt là hai yếu tố cốt lõi quyết định tính ứng dụng thực tiễn của một chất xúc tác. Phân tích TGA cho thấy cả hai vật liệu CAU-19-H và CAU-19-Cu đều có độ bền quang xúc tác và độ bền nhiệt cao, ổn định đến khoảng 400°C. Sự ổn định nhiệt này đảm bảo vật liệu không bị phân hủy trong điều kiện phản ứng quang xúc tác. Về diện tích bề mặt, nghiên cứu của Timo và cộng sự (2017) cho thấy CAU-19-H có diện tích bề mặt BET đạt 600 m²/g. Một diện tích bề mặt lớn như vậy sẽ cung cấp nhiều tâm hoạt động, tăng cường sự tiếp xúc giữa chất xúc tác và chất ô nhiễm, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng. Khả năng tái sử dụng cũng là một khía cạnh quan trọng, và độ bền cao của vật liệu là một dấu hiệu tích cực cho thấy tiềm năng này.
V. Đánh giá hiệu ứng quang xúc tác của Ce MOFs vượt trội
Trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát hiệu ứng quang xúc tác của các vật liệu Ce-MOFs đã tổng hợp trong phản ứng khử Cr(VI). Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cho một lượng nhất định vật liệu xúc tác vào dung dịch Cr(VI) và chiếu xạ bằng đèn mô phỏng ánh sáng khả kiến (visible light). Kết quả cho thấy cả hai vật liệu CAU-19-H và CAU-19-Cu đều thể hiện hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ. Đặc biệt, vật liệu CAU-19-Cu, với tâm kim loại đồng được chèn vào linker porphyrin, cho hiệu suất vượt trội hơn hẳn. Khi sử dụng 20 mg vật liệu trong điều kiện pH=1.0, CAU-19-Cu có thể khử hoàn toàn 100% Cr(VI) chỉ sau 60 phút chiếu sáng. Trong khi đó, CAU-19-H cần đến 120 phút để đạt được hiệu suất tương tự. Sự khác biệt này cho thấy ion Cu đóng vai trò như một tâm xúc tác phụ, phối hợp với cụm {Ce₆O₈} để tăng cường hiệu quả của quá trình. Nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng rõ rệt của pH đến hiệu suất phản ứng. Môi trường axit mạnh (pH=1.0) là điều kiện tối ưu, do nồng độ H⁺ cao vừa thúc đẩy quá trình khử Cr(VI) thành Cr(III), vừa proton hóa các nguyên tử N trên vòng porphyrin, làm tăng khả năng hấp phụ hóa học của các anion Cr(VI) lên bề mặt xúc tác. Những kết quả này không chỉ chứng minh tiềm năng ứng dụng của Ce-MOFs trong xử lý nước thải mà còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế quang xúc tác.
5.1. Cơ chế quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ
Cơ chế quang xúc tác của Ce-MOFs trong việc khử Cr(VI) diễn ra qua nhiều bước phức tạp. Dưới tác dụng của ánh sáng, linker porphyrin (chất nhạy quang) hấp thụ photon và bị kích thích, tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e⁻/h⁺). Các electron sau đó được chuyển đến cụm kim loại {Ce₆O₈}. Tại đây, sự chuyển đổi Ce⁴⁺ + e⁻ → Ce³⁺ giúp bẫy và ổn định các electron, ngăn chặn quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống. Các electron này sau đó tham gia trực tiếp vào quá trình khử Cr(VI) thành Cr(III) (Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O). Đồng thời, các lỗ trống (h⁺) có thể oxy hóa phân tử nước để tạo ra các gốc hydroxyl (•OH), một tác nhân oxy hóa cực mạnh có khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ khác nếu có mặt trong dung dịch. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa linker và tâm kim loại tạo nên một chu trình xúc tác hiệu quả và bền vững.
5.2. So sánh hiệu suất khử Cr VI dưới ánh sáng khả kiến
Việc so sánh hiệu suất giữa CAU-19-H và CAU-19-Cu dưới ánh sáng khả kiến làm nổi bật vai trò của việc chèn thêm tâm kim loại thứ hai. Vật liệu CAU-19-Cu luôn cho tốc độ phản ứng nhanh hơn và thời gian đạt hiệu suất 100% ngắn hơn đáng kể. Ở điều kiện 15 mg vật liệu, CAU-19-Cu chỉ mất 90 phút, trong khi CAU-19-H cần 150 phút. Sự vượt trội này có thể được giải thích là do ion Cu²⁺ hoạt động như một điểm trung chuyển electron hiệu quả, tạo thêm một con đường cho các hạt tải điện di chuyển và tham gia phản ứng, đồng thời làm giảm thêm xác suất tái tổ hợp. So với các vật liệu MOFs khác được báo cáo trước đây, hiệu suất khử Cr(VI) của họ vật liệu CAU-19 trong nghiên cứu này là rất cạnh tranh, đặc biệt là thời gian phản ứng ngắn ở nồng độ chất ô nhiễm tương đối cao (10 mg/L), khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn.
VI. Tương lai và tiềm năng ứng dụng của vật liệu Ce MOFs
Nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu MOFs mang tâm kim loại Cerium đã mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn. Các kết quả thu được từ vật liệu CAU-19-H và đặc biệt là CAU-19-Cu đã chứng minh rõ ràng tiềm năng to lớn của chúng trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Trong tương lai, hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc và thành phần của vật liệu để nâng cao hiệu suất và độ bền. Việc khảo sát khả năng tái sử dụng và độ bền quang xúc tác qua nhiều chu kỳ là cực kỳ quan trọng để đánh giá tính khả thi kinh tế và kỹ thuật cho các ứng dụng quy mô lớn. Bên cạnh đó, việc kết hợp các tính toán lý thuyết (như DFT) sẽ giúp làm sáng tỏ hơn nữa cơ chế quang xúc tác ở cấp độ phân tử, từ đó định hướng cho việc thiết kế các vật liệu thế hệ mới hiệu quả hơn. Ngoài việc khử Cr(VI), tiềm năng của Ce-MOFs có thể được mở rộng sang các ứng dụng khác như phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (thuốc trừ sâu, dược phẩm), phân hủy Xanh Methylene hay phân hủy Rhodamine B, sản xuất hydro từ nước, và khử CO₂ thành nhiên liệu có giá trị. Với sự phát triển không ngừng của khoa học vật liệu, Ce-MOFs hứa hẹn sẽ trở thành một giải pháp công nghệ xanh, bền vững, đóng góp tích cực vào việc giải quyết các thách thức về môi trường và năng lượng toàn cầu.
6.1. Hướng tới độ bền quang xúc tác và khả năng tái sử dụng
Để một chất xúc tác có thể ứng dụng trong thực tế, độ bền quang xúc tác và khả năng tái sử dụng là hai tiêu chí bắt buộc. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc đánh giá sự ổn định của cấu trúc vật liệu Ce-MOFs sau nhiều chu kỳ phản ứng. Cần kiểm tra xem liệu vật liệu có bị rò rỉ kim loại, biến đổi cấu trúc hay giảm hoạt tính sau thời gian dài sử dụng hay không. Các kỹ thuật như XRD, SEM sau phản ứng sẽ cung cấp những thông tin quan trọng này. Hơn nữa, việc phát triển các phương pháp tái sinh vật liệu đơn giản và hiệu quả cũng là một mục tiêu cần hướng tới. Việc chứng minh được độ bền và khả năng tái sử dụng cao sẽ là bước đệm vững chắc để thương mại hóa công nghệ sử dụng Ce-MOFs trong xử lý môi trường.
6.2. Mở rộng ứng dụng quang xúc tác dị thể và năng lượng
Tiềm năng của Ce-MOFs không chỉ giới hạn ở việc khử Cr(VI). Với năng lượng vùng cấm (band gap) có thể điều chỉnh và khả năng tạo ra các gốc tự do hoạt tính cao, chúng có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Trong xúc tác quang dị thể, chúng có thể được dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững (POPs) trong nước và không khí. Trong lĩnh vực năng lượng, các cặp electron-lỗ trống được tạo ra có thể tham gia vào phản ứng tách nước tạo hydro (một nguồn năng lượng sạch) hoặc phản ứng khử CO₂ thành methanol, methane. Việc kết hợp Ce-MOFs với các vật liệu bán dẫn khác để tạo thành các dị thể cấu trúc Z-scheme hoặc type-II có thể tiếp tục nâng cao hiệu suất tách và chuyển dời điện tích, mở ra những ứng dụng đột phá hơn nữa trong tương lai.
