Quang xúc tác phân ly
nước: thành tựu và
thách thức tương lai

Để cung cấp đủ nhu cầu về năng lượng cho con
người đến năm 2050 từ năng lượng mặt trời,
những dự tính sơ bộ xấp xỉ khoảng 10000 “dự
án năng lượng mặt trời” (diện tích 5km x 5km
cho mỗi dự án) để chuyển hóa năng lượng mặt
trời với hiệu suất là 10%. Tất cả diện tích cần
thiết là vào khoảng 250000 Km
2
, chiếm 1% diện
tích hoang mạc của trái đất, 570 tấn khí H
2
có
thể được tạo ra trong một ngày. Khí H
2
có thể
được sử dụng cho Pin nhiên liệu, các nguyên
liệu đầu cho quá trình tổng hợp các chất hóa
học như CH
3
OH hay nhiều chất khác.

Quang xúc tác phân ly nước tạo H

được hoạt tính xúc tác ở vùng ánh sáng khả
kiến do năng lượng tự do Gibb trong trường hợp
này nhỏ hơn so với hệ phân ly nước 1 giai đoạn.
Tuy nhiên, vẫn còn thách thức của việc đẩy
mạnh sự chuyển electron giữa hai bán dẫn và
phản ứng khử ngược lại trong hệ thống oxi hóa
khử trung gian.
Xúc tác ở kích thước nano Những kim loại quý
như Pt và Ru là những chất xúc tác rất tốt cho
phản ứng tạo H
2
, nhưng nó cũng xúc tác cho
phản ứng ngược tạo ra H
2
O từ H
2
và O
2
. Vì lí do
đó, để tránh phản ứng ngược lại, người ta đã
hướng đến việc sử dụng các oxit kim loại
chuyển tiếp thay thế một phần hoặc hoàn toàn
các kim loại quý (do các oxit không có hoạt tính
cho phản ứng tạo H
2
O từ O
2
và H
2
). Thời điểm

ion Cr (VI) (D và A tương ứng là chất cho và
nhận electron)
Hình B. Ảnh TEM của kim loại Rh đã được gắn
lên hỗn hợp xúc tác nền GaN:ZnO, trước và sau
phản ứng khử ion Cr(VI) về crom oxit. Hình ảnh
cho thấy lớp bao phủ nhân kim loại Rh có độ
dày gần bằng 2 nm, tạo thành cấu trúc core-
shell. Phổ quang electron tia X và phổ hấp thu
tia X cho thấy lớp vỏ là của Cr
2
O
3
.

Hình bên trái GaN:ZnO biến tính Rh không cho
thấy một hoạt tính xúc tác để phân ly nước. Hầu
hết Rh xúc tác phản ứng ngược lại tạo thành
H
2
O nhanh hơn phản ứng phân ly H
2
O. Tuy
nhiên, với hệ cocatalysts GaN:ZnO có
Rh/Cr
2
O
3
với cấu trúc core-shell thì H
2
và O

tiêu được phản ứng tạo H
2
O trên bề mặt xúc tác
kim loại quý, do đó cho phép phản ứng xảy ra
theo chiều hướng mong muốn (2H
2
O > O
2
+
H
2
). Phản ứng phân ly nước chủ yếu được xúc
tác bằng kim loại quý. Trong khi đó các oxit kim
loại thêm vào hệ cocatalysts thường cho thấy
hoạt tính xúc tác phản ứng tạo thành nước
không đáng kể. Vai trò chủ yếu của các oxit vẫn
chỉ là ngăn cản phản ứng kết hợp các sản phẩm
H
2
và O
2
mà thôi.
Trong quá trình điều chế, các hạt nano Rh có xu
hướng kết tụ lại trên bề mặt xúc tác làm giảm
mạnh diện tích bề mặt riêng. Hoạt tính của hệ
xúc tác phụ thuộc rất nhiều vào diện tích bề mặt
tiếp xúc giữa pha xúc tác và tác chất, nên hoạt
tính của hệ cocatalysts sẽ được cải thiện nếu sự
kết tụ các hạt nano được giảm đi. Vì vậy, việc
tăng độ phân tán của các hạt nano trên bề mặt

thành H
2
O không xảy ra, do O
2
bị chặn ở
lớp vỏ Cr
2
O
3
. Và điều đó được kết luận rằng lớp
Cr
2
O
3
chỉ cho H
+
thấm qua được để tạo thành
khí hydro và không cho O
2
thấm qua. Cơ chế
phản ứng sự tạo thành khí H
2
trên hạt nano cấu
trúc core-shell (kim loại quý hoặc oxit kim loại là
nhân và Cr
2
O
3
là vỏ) đóng vai trò xúc tác trong
phản ứng phân ly nước được trình bày ở hình

O
3
và các hạt nano
Mn
3
O
4
như là chất trợ xúc tác sinh ra H
2
và
O
2
từ H
2
O bằng ánh sáng khả kiến
(lamda>420nm). Phương pháp điều chế được
thực hiện là kết tủa từng bước bao gồm sự hấp
phụ của MnO (9.2±0.4 nm) sau đó nung để tạo
thành tinh thể Mn
3
O
4
và cuối cùng là phân tấn
trên hệ Rh/Cr
2
O
3
(core-shell), được trình bày
trong hình A.


cho hoạt
tính xúc tác cao hơn khi gắn một trong hai chất
trên, được trình bày ở hình B.

Mô hình phản ứng được đề nghị cho phản ứng
phân ly nước bằng GaN:ZnO có gắn Mn
3
O
4
và
Rh/Cr
2
O
3
được minh họa ở hình C.

Viễn cảnh tương lai cho quang xúc tác phân ly
nước Trong 5 năm gần đây, Quá trình nghiên
cứu quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến đã
đạt được những thành tựu đáng kể trong việc
phát triển hoạt tính quang xúc tác, làm sáng tỏ
được cơ chế phản ứng, một điển hình trong lĩnh
vực xúc tác dị thể phân ly nước. Các nhà khoa
học đã phát triển một số hệ xúc tác có triển vọng
như: GaN:ZnO gắn Rh
2
-yCr
y
O
3

1% diện tích hoang mạc của trái đất, 570 tấn khí
H
2
có thể được tạo ra trong một ngày. Khí H2 có
thể được sử dụng cho Pin nhiên liệu, các
nguyên liệu đầu cho quá trình tạo các chất hóa
học như CH
3
OH hay nhiều chất khác. Chắc
chắn là công nghệ phân chia khí H2 và O2
tương ứng phải được đòi hỏi khắt khe.