Nghiên Cứu Đột Phá: Chất Xúc Tác Hai Kim Loại Pd-Cu Chế Tạo Bằng Cơ Hóa Học Nâng Cao Hiệu Suất Quang Phân Tách Nước Tạo Hydro
Annie Nguyễn
*03/08/2026*
Mở ra hướng đi mới cho sản xuất hydro sạch từ ánh sáng mặt trời với chi phí thấp hơn
Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí EES Catalysis (2026) của nhóm tác giả Asier Agrelo-Lestón, Lluís Soler và Jordi Llorca (Đại học Catalunya, Tây Ban Nha) đã báo cáo thành công trong việc chế tạo chất xúc tác quang Pd-Cu/TiO₂ bằng phương pháp cơ hóa học (ball milling). Công trình này mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để sản xuất hydro xanh từ nước và ethanol dưới ánh sáng mặt trời với hiệu suất cao và chi phí thấp hơn đáng kể.
Công nghệ đột phá: Tổng hợp không dung môi, tạo hợp kim Pd-Cu
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nghiền bi (ball milling) - một kỹ thuật tổng hợp không dung môi, thân thiện môi trường và có khả năng mở rộng quy mô công nghiệp - để tạo ra các hạt xúc tác hai kim loại Pd-Cu trên nền TiO₂ (P90). Bằng cách sàng lọc có hệ thống các tỷ lệ nguyên tử Pd:Cu từ 3:1 đến 1:3, họ đã xác định được công thức tối ưu là PdCu₂/TiO₂ với hàm lượng kim loại tổng cộng chỉ 1% theo khối lượng.
Điểm đặc biệt của phương pháp này là nó tạo ra các hạt nano hợp kim Pd-Cu có kích thước siêu nhỏ (trung bình 1,0 ± 0,3 nm) và phân bố đồng đều trên bề mặt TiO₂. Ngược lại, phương pháp tẩm ướt thông thường (incipient wetness impregnation) chỉ tạo ra các hạt Pd và Cu riêng lẻ, không hình thành hợp kim.
Hiệu suất quang hóa vượt trội và khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy
Dưới ánh sáng tử ngoại (UV), chất xúc tác PdCu₂-BM thể hiện hiệu ứng hiệp đồng rõ rệt, với tốc độ sản xuất hydro cao hơn 27% so với giá trị lý thuyết của hỗn hợp hai kim loại riêng lẻ và cao hơn 20% so với mẫu PdCu₂ chế tạo bằng phương pháp tẩm ướt. Quan trọng hơn, sự có mặt của đồng (Cu) đã giúp mở rộng vùng hấp thụ quang của hệ xúc tác sang vùng ánh sáng khả kiến. Khi kết hợp chiếu sáng UV và ánh sáng nhìn thấy, PdCu₂-BM cho thấy tốc độ giải phóng hydro tăng 19% so với chỉ chiếu UV đơn thuần.
Phân tích quang phổ UV-Vis và giản đồ Tauc xác nhận rằng vật liệu PdCu₂-BM sau phản ứng có vùng cấm (band gap) thu hẹp xuống còn 2,4 eV, cho phép hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời ở bước sóng dài hơn.
Độ bền vượt trội và ứng dụng thực tế
Một trong những ưu điểm nổi bật của xúc tác PdCu₂-BM là độ bền cao. Trong thử nghiệm liên tục 50 giờ dưới ánh sáng UV, hoạt tính của nó chỉ giảm 9%, trong khi mẫu Pd đơn kim giảm tới 18%. Hình ảnh kính hiển vi điện tử (HAADF-STEM) cho thấy các hạt nano hợp kim PdCu₂ hầu như không bị kết tụ trong quá trình phản ứng (kích thước tăng từ 1,0 lên 1,5 nm), trong khi các hạt Pd đơn kim đã tăng vọt từ 1,3 lên 5,3 nm.
Các phân tích sâu hơn bằng XPS và H₂-TPR cho thấy sự hình thành hợp kim Pd-Cu đã cải thiện khả năng khử của Pd, giúp tăng cường chuyển điện tử và ngăn chặn sự tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống quang sinh, yếu tố then chốt quyết định hiệu quả quang xúc tác.
Ý nghĩa và triển vọng
Nghiên cứu này cung cấp một chiến lược thiết kế xúc tác mới, vừa giảm lượng kim loại quý (Pd) vừa tăng cường hiệu suất và độ bền, nhờ vào việc sử dụng đồng (Cu) - một kim loại phổ biến và rẻ tiền. Phương pháp cơ hóa học không dung môi cũng là một giải pháp xanh, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công trình này là một bước tiến quan trọng hướng tới việc hiện thực hóa công nghệ sản xuất hydro sạch từ năng lượng mặt trời (solar-to-fuel) một cách hiệu quả và bền vững.
