Vật liệu nano đạt được chức năng kép—lưu trữ năng lượng hiệu suất cao và phân hủy chất ô nhiễm hiệu quả
bởi Đại học Shinshu
Nghiên cứu này tiết lộ một chiến lược đầy hứa hẹn để chế tạo molybdate kim loại kép (ba) siêu mịn trên sợi nano carbon lõi rỗng pha tạp N, B và F cho các ứng dụng năng lượng và môi trường. Nguồn: Ick Soo Kim từ Đại học Shinshu, Nhật Bản
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Shinshu đã phát triển một nanocomposite giá rẻ bằng cách nhúng molybdate kim loại kép và ba vào sợi nano carbon rỗng pha tạp nitơ, bo và flo. Vật liệu này đã chứng minh hiệu suất điện hóa tuyệt vời cho siêu tụ điện, với điện dung cao và độ ổn định lâu dài, cũng như hiệu quả xúc tác mạnh trong việc phân hủy 4-nitrophenol, một chất ô nhiễm công nghiệp phổ biến.
Vật liệu composite này cung cấp chức năng kép đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ năng lượng và phục hồi môi trường, cung cấp một giải pháp có khả năng mở rộng và hiệu quả để giải quyết các thách thức cấp bách về năng lượng và ô nhiễm toàn cầu.
Thế giới đang phải đối mặt với những thách thức ngày càng tăng về tính bền vững của năng lượng và môi trường. Sự gia tăng nhanh chóng của dân số, đô thị hóa và hoạt động công nghiệp—đặc biệt là ở các nước đang phát triển—đã thúc đẩy mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm nước.
Những áp lực kép này đã thúc đẩy làn sóng nghiên cứu về các vật liệu có cấu trúc nano đa chức năng có khả năng giải quyết cả vấn đề lưu trữ năng lượng và môi trường. Molybdate kim loại lưỡng kim và kim loại ba thành phần là một trong những ứng cử viên triển vọng nhất, mang lại các đặc tính xúc tác và điện hóa mạnh mẽ.
Tuy nhiên, các phương pháp hiện có để tổng hợp các vật liệu nanocomposite này thường đi kèm với những nhược điểm lớn. Nhiều phương pháp dựa vào các vật liệu cacbon có giá thành cao như graphene hoặc ống nano cacbon. Những phương pháp khác đòi hỏi lượng kim loại quá mức—thường vượt quá 50% theo trọng lượng—hoặc liên quan đến các phương pháp tổng hợp phức tạp, tốn thời gian và không thân thiện với môi trường. Những hạn chế này khiến nhiều giải pháp quy mô phòng thí nghiệm không khả thi để sử dụng trong thế giới thực, đặc biệt là ở những khu vực cần chúng nhất.
Nhận ra khoảng cách này, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Shinshu, Nhật Bản, do Giáo sư danh dự Ick Soo Kim từ Phòng nghiên cứu công nghệ Nano Fusion đứng đầu, bao gồm Tiến sĩ Gopiraman Mayakrishnan, Tiến sĩ Azeem Ullah từ cùng trường đại học và Tiến sĩ Ramkumar Vanraj từ Đại học Yeungnam, đã tạo ra một loại nanocomposite mới có thể mang lại hiệu suất cao với chi phí thấp hơn nhiều. Nghiên cứu được công bố trực tuyến trên tạp chí Advanced Fiber Materials vào ngày 2 tháng 4 năm 2025.
Các nhà nghiên cứu đã neo molybdate lưỡng kim siêu mịn (FeMo) và ba thành phần (NiCoMo) vào các sợi nano carbon lõi rỗng đã được "pha tạp" nitơ, bo và flo. Các chất pha tạp này tăng cường độ dẫn điện và khả năng phản ứng hóa học của khung carbon, trong khi cấu trúc rỗng tối đa hóa diện tích bề mặt có sẵn cho các phản ứng.
Hình ảnh FESEM của a, (a-1) sợi nano carbon (CNF), b, (b-1) sợi nano carbon lõi rỗng (HCNF), c, (c-1), (c-2), (c-3) molypdat kim loại kép được neo trên sợi nano carbon rỗng pha tạp nguyên tử khác loại (FeMo–HCNFss), và d, (d-1), (d-2), (d-3), (d-4), (d-5), (d-6) và (d-7) molypdat kim loại ba được neo trên sợi nano carbon rỗng pha tạp nguyên tử khác loại (NiCoMo–HCNF) Tín dụng: Advanced Fiber Materials (2025). DOI: 10.1007/s42765-025-00528-7
"Chúng tôi đã tạo ra một nền tảng đa chức năng không chỉ có khả năng mở rộng và tiết kiệm chi phí mà còn mang lại hiệu suất lưu trữ năng lượng vượt trội", Giáo sư Kim cho biết. "Phương pháp của chúng tôi giúp giảm sự phụ thuộc vào kim loại đắt tiền và việc pha tạp các sợi nano carbon giúp tăng cường các đặc tính của chúng, cho phép chúng tôi tạo ra một vật liệu có thể đáp ứng cả nhu cầu năng lượng và môi trường".
Vật liệu nanocomposite mới chủ yếu được thử nghiệm về khả năng tăng cường lưu trữ năng lượng. Nó đã chứng minh được điện dung riêng là 1.419,2 F/g, cao hơn đáng kể so với nhiều vật liệu khác hiện đang được sử dụng để lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, vật liệu này duy trì 86% công suất ban đầu sau 10.000 chu kỳ sạc-xả, một yếu tố quan trọng đối với độ tin cậy lâu dài của các hệ thống lưu trữ năng lượng.
Ngoài khả năng lưu trữ năng lượng, nanocomposite còn cho thấy triển vọng đáng kể trong các ứng dụng môi trường. Vật liệu này đã được thử nghiệm về khả năng xúc tác quá trình khử 4-nitrophenol, một hợp chất độc hại thường thấy trong nước thải công nghiệp. Kết quả cho thấy vật liệu này có hiệu quả cao trong việc phân hủy chất ô nhiễm này, cho thấy tiềm năng sử dụng trong công nghệ lọc nước và kiểm soát ô nhiễm.
Nanocomposite mới cũng có chi phí sản xuất tương đối thấp. Vật liệu nano truyền thống thường dựa vào các thành phần đắt tiền như graphene hoặc lượng lớn kim loại, có thể làm tăng chi phí sản xuất. Ngược lại, vật liệu mới sử dụng lượng kim loại ít hơn và quy trình tổng hợp đơn giản hơn, giúp vật liệu này có giá cả phải chăng hơn cho các ứng dụng quy mô lớn.
Nanocomposite mới này cung cấp sự kết hợp đầy hứa hẹn giữa hiệu suất cao, hiệu quả về chi phí,
khả năng mở rộng, khiến nó trở thành ứng cử viên sáng giá để sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Đây là bước tiến đáng kể trong quá trình phát triển công nghệ nano bền vững cho các thách thức toàn cầu. Nhưng cần phải nghiên cứu và phát triển thêm trước khi đưa vật liệu cải tiến này ra thị trường.
"Bước tiếp theo là tinh chỉnh quy trình sản xuất và thử nghiệm vật liệu trong nhiều điều kiện đa dạng hơn", Giáo sư Kim kết luận. "Chúng tôi cũng có kế hoạch khám phá tiềm năng của nó trong các ứng dụng môi trường khác, chẳng hạn như loại bỏ các loại chất gây ô nhiễm khác nhau".
Thông tin thêm: Gopiraman Mayakrishnan và cộng sự, Neo bề mặt trong-ngoài của Molybdate kim loại Bi(Tri) siêu mịn trên sợi nano carbon lõi rỗng pha tạp N-, B- và F: Nanocomposite hiệu quả về mặt chi phí với tải trọng kim loại thấp cho các ứng dụng năng lượng và môi trường, Vật liệu sợi tiên tiến (2025).DOI: 10.1007/s42765-025-00528-7
Được cung cấp bởi Đại học Shinshu
