Trước áp lực ngày càng gia tăng từ ô nhiễm nguồn nước và khủng hoảng rác thải nhựa toàn cầu, giới khoa học đang nỗ lực tìm kiếm những giải pháp công nghệ vừa hiệu quả, vừa bền vững và có chi phí hợp lý. Một hướng đi đầy triển vọng là khai thác năng lượng Mặt Trời để làm sạch nước, thông qua các quá trình xúc tác quang và bay hơi quang – nhiệt. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất của các công nghệ này nằm ở việc chúng thường phụ thuộc vào vật liệu đắt tiền, khó chế tạo và khó mở rộng quy mô ứng dụng thực tế.

Trong bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nagoya (NITech), Nhật Bản, đã đạt được một đột phá đáng chú ý khi phát triển thành công một loại “siêu xúc tác” đa chức năng có nguồn gốc từ nhựa thải thông dụng. Công trình do Phó Giáo sư Takashi Shirai dẫn dắt, cùng các cộng sự, không chỉ mang lại giải pháp xử lý nước hiệu quả mà còn mở ra hướng tiếp cận mới cho việc tái chế nâng cấp rác thải nhựa (upcycling), biến chất thải thành tài nguyên có giá trị cao.

Ảnh nguồn: scitechdaily.com

Điểm cốt lõi của nghiên cứu nằm ở việc sử dụng một quy trình cơ – hóa học được tối ưu hóa dựa trên máy nghiền bi hành tinh. Nhóm nghiên cứu bắt đầu với hỗn hợp đơn giản gồm molypden trioxit (MoO₃) và polypropylene – một loại nhựa phổ biến trong bao bì và đồ gia dụng, vốn chiếm tỷ lệ lớn trong rác thải nhựa sinh hoạt. Thông qua quá trình nghiền cơ học có kiểm soát, hỗn hợp này được chuyển hóa thành các hạt composite phức hợp, chứa đồng thời hydro molypden bronze (HxMoO₃–y), molypden dioxit (MoO₂) và carbon hoạt tính.

Sự kết hợp của các thành phần này tạo nên một vật liệu “tất cả trong một”, có khả năng đảm nhiệm nhiều chức năng làm sạch nước khác nhau. Các thí nghiệm cho thấy hạt composite hấp thụ ánh sáng trên dải phổ rất rộng, từ cận hồng ngoại, vùng khả kiến đến tử ngoại. Nhờ đó, chúng có thể hoạt động như chất xúc tác quang, phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước dưới ánh sáng Mặt Trời. Đáng chú ý hơn, ngay cả trong điều kiện không có ánh sáng, vật liệu vẫn thể hiện vai trò như một chất xúc tác axit Brønsted, tiếp tục loại bỏ các chất gây ô nhiễm.

Không dừng lại ở xúc tác quang, vật liệu này còn thể hiện các đặc tính plasmon đặc biệt, tạo ra hiệu ứng quang – nhiệt mạnh. Khi tiếp xúc với ánh sáng Mặt Trời, các hạt composite có thể nhanh chóng chuyển năng lượng ánh sáng thành nhiệt, làm nóng nước với hiệu suất cao. Hiệu ứng này có thể được khai thác để thúc đẩy quá trình bay hơi nước bẩn một cách nhanh chóng, sau đó ngưng tụ thành nước sạch, hỗ trợ hiệu quả cho các hệ thống khử mặn và chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời.

Ngoài ra, các dạng carbon chứa oxy còn sót lại từ quá trình nghiền bi – vốn là sản phẩm phụ – cũng không bị lãng phí. Chúng đóng vai trò như các chất hấp phụ, có khả năng bắt giữ và loại bỏ các ion kim loại nặng độc hại trong nước thải, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước tổng thể.

Theo nhóm nghiên cứu, ưu thế lớn của công nghệ này không chỉ nằm ở tính đa chức năng, mà còn ở hiệu quả năng lượng và chi phí thấp so với các phương pháp hiện có. Quy trình cơ – hóa học được đánh giá là đơn giản, dễ mở rộng và có thể áp dụng cho nhiều loại oxit kim loại cũng như các loại nhựa khác nhau. Trong tương lai, nhóm kỳ vọng sẽ tiếp tục hoàn thiện công nghệ để phát triển các thế hệ xúc tác tương tự, phục vụ xử lý nước, tái chế nhựa và nhiều ứng dụng môi trường khác.

Nhìn rộng hơn, nghiên cứu này cho thấy tiềm năng to lớn của việc kết hợp khoa học vật liệu, năng lượng tái tạo và kinh tế tuần hoàn. Việc biến rác thải nhựa – một trong những vấn đề môi trường nan giải nhất hiện nay – thành vật liệu cốt lõi cho công nghệ nước sạch không chỉ giúp giảm gánh nặng ô nhiễm, mà còn góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng dân số toàn cầu.

https://scitechdaily.com (nttvy)