Xúc tác quang đang nổi lên như một hướng công nghệ đầy tiềm năng nhằm khai thác nguồn ánh sáng mặt trời dồi dào để tạo ra các dạng năng lượng và nguyên liệu hóa học có giá trị. Trong số những vật liệu được quan tâm, polyheptazine imide thuộc họ carbon nitride được đánh giá cao nhờ cấu trúc dạng lớp tương tự graphene, được tạo thành từ các khối vòng giàu nitơ xếp chồng thành các tấm mỏng. Khác với graphene dẫn điện tốt nhưng không có hoạt tính xúc tác quang, polyheptazine imide sở hữu khe năng lượng phù hợp để hấp thụ ánh sáng khả kiến và kích hoạt phản ứng hóa học.

Ngoài ưu điểm về chi phí sản xuất thấp, không độc hại và ổn định nhiệt, các vật liệu carbon nitride còn có tiềm năng ứng dụng rộng trong tách nước tạo nhiên liệu hydro, khử CO₂ để tạo hợp chất hữu cơ cơ bản hoặc tổng hợp hydrogen peroxide cho công nghiệp. Tuy nhiên, các thế hệ vật liệu ban đầu hoạt động chưa hiệu quả do khả năng tách điện tích yếu. Khi electron bị kích thích bởi ánh sáng nhanh chóng tái kết hợp với “lỗ trống”, năng lượng hấp thụ bị thất thoát dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng thay vì thúc đẩy phản ứng hóa học.

Hình (scitechdaily.com)

Nhóm nghiên cứu do Trung tâm Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) thuộc Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf dẫn đầu đã xây dựng một khung mô phỏng tiên tiến dựa trên lý thuyết nhiễu loạn nhiều hạt. Phương pháp này cho phép mô tả chính xác hơn hành vi điện tử của vật liệu khi bị kích thích bởi ánh sáng — yếu tố cốt lõi trong xúc tác quang nhưng thường bị bỏ qua trong các nghiên cứu tính toán truyền thống.

Nghiên cứu tập trung vào một đặc điểm cấu trúc quan trọng của polyheptazine imide là các “lỗ rỗng” mang điện tích âm có thể chứa ion kim loại mang điện tích dương. Việc chèn các ion này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất xúc tác bằng cách tăng khả năng tách điện tích. Nhóm khoa học đã tiến hành phân tích toàn diện tác động của 53 loại ion kim loại khác nhau, đồng thời đánh giá vị trí của chúng trong cấu trúc vật liệu và mức độ biến dạng hình học gây ra.

Kết quả cho thấy việc đưa ion kim loại vào mạng polymer có thể làm thay đổi khoảng cách giữa các lớp và môi trường liên kết cục bộ, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vùng năng lượng và khả năng hấp thụ ánh sáng. Để kiểm chứng dự đoán, nhóm đã tổng hợp tám vật liệu polyheptazine imide chứa các ion kim loại khác nhau và thử nghiệm khả năng xúc tác tạo hydrogen peroxide. Các kết quả thực nghiệm cho thấy mức độ phù hợp cao với mô hình tính toán và vượt trội so với những phương pháp dự đoán trước đây.

Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện này giúp củng cố vị thế của polyheptazine imide như một nền tảng vật liệu triển vọng cho thế hệ công nghệ xúc tác quang mới. Quan trọng hơn, phương pháp tiếp cận có hệ thống dựa trên mô phỏng tiên tiến sẽ mở ra con đường thiết kế vật liệu hiệu quả hơn cho các phản ứng hóa học bền vững, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch và phát triển công nghiệp xanh trong tương lai.

nttvy (https://scitechdaily.com/)