Trong xu thế chuyển dịch năng lượng đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, hydro xanh được xem là một trong những lựa chọn đầy hứa hẹn để thay thế nhiên liệu hóa thạch và cắt giảm phát thải khí nhà kính.
Tại Việt Nam, các nhà khoa học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM) đã phối hợp cùng Viện Nghiên cứu Liên ngành, Đại học Tohoku (Nhật Bản) theo đuổi một hướng nghiên cứu mới dựa trên vật liệu Janus, với kỳ vọng nâng cao hiệu quả sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời.
Công nghệ tách nước bằng quang xúc tác cho phép tạo ra khí hydro trực tiếp từ nước nhờ năng lượng mặt trời – một quy trình sạch và không phát thải CO₂. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của công nghệ này nằm ở chi phí và hiệu suất vật liệu. Nhiều chất xúc tác quang hiện nay vẫn đắt đỏ, trong khi hiệu quả chuyển đổi năng lượng chưa đạt mức mong muốn. Một trong những nguyên nhân cốt lõi là hiện tượng tái hợp nhanh giữa điện tử và lỗ trống sau khi vật liệu hấp thụ ánh sáng. Khi quá trình này diễn ra quá sớm, năng lượng bị tiêu hao trước khi kịp tham gia phản ứng tạo hydro.
Từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu đã hướng đến vật liệu Janus – loại vật liệu có cấu trúc bất đối xứng với hai mặt khác nhau ở cấp độ nguyên tử. Chính sự bất đối xứng này tạo nên điện trường nội tại, giúp tách biệt không gian giữa điện tử và lỗ trống, qua đó làm chậm sự tái hợp và cải thiện hiệu suất quang tách nước. Tuy nhiên, đặc tính “hai mặt” của Janus cũng đồng nghĩa với vô số khả năng ghép cặp vật liệu, đặt ra câu hỏi đâu là tổ hợp tối ưu nhất cho phản ứng tách nước.
Để tìm lời giải, nhóm của TS. Nguyễn Tuấn Hưng tại Đại học Tohoku đã hợp tác với nhóm của PGS.TS. Vũ Thị Hạnh Thu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG-HCM) nhằm thiết kế các cấu trúc dị thể hai chiều, trong đó một lớp là vật liệu Janus và lớp còn lại là vật liệu bán dẫn tương thích. Từ 20 cấu trúc được đề xuất ban đầu, các nhà khoa học tiến hành sàng lọc bằng tính toán mô phỏng trên hệ thống siêu máy tính, tập trung đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng, sự căn chỉnh dải năng lượng và độ linh động điện tử – những yếu tố quyết định hiệu quả quang tách nước.
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc tìm ra các cấu trúc có hiệu suất cao, mà còn ở cách tiếp cận mang tính nguyên tắc. Thay vì thử nghiệm rời rạc từng tổ hợp, nhóm đã xây dựng được các quy luật lựa chọn dựa trên đặc điểm hình học và độ âm điện giữa các lớp vật liệu. Cách làm này giúp rút ngắn đáng kể thời gian tìm kiếm, tương tự như việc xác định nhanh những “mảnh ghép” phù hợp trong vô số khả năng kết hợp của vật liệu hai chiều.
Kết quả cho thấy ba cấu trúc dị thể nổi bật nhất gồm WSe₂–SWSe, WSe₂–TeWSe và WS₂–SMoSe. Trong số đó, WS₂–SMoSe đạt hiệu suất chuyển đổi quang năng sang năng lượng hydro lên tới 16,62%, trong khi nhiều cấu trúc khác cũng vượt mốc 14%. Đây là những con số vượt ngưỡng 10% – mức thường được xem là khả thi cho ứng dụng thương mại.
Công trình đã được công bố trên tạp chí quốc tế ACS Applied Energy Materials (Q1), đồng thời mang về giải Nhất Euréka cho sinh viên, Nguyễn Trần Gia Bảo – tác giả thứ nhất của nghiên cứu. Thành quả này không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu vật liệu tiên tiến trong nước mà còn mở ra hướng phát triển các hệ vật liệu hai chiều phục vụ sản xuất hydro xanh.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu dự kiến tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng các cấu trúc tiềm năng đã được mô phỏng, đồng thời tiếp tục tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh cấu trúc, bổ sung lớp hoặc thêm chất hỗ trợ xúc tác nhằm nâng cao độ bền và hiệu suất. Xa hơn, việc mở rộng sang nhiều tổ hợp vật liệu hai chiều khác hứa hẹn sẽ tiếp tục làm phong phú “bản đồ” vật liệu cho công nghệ tách nước bằng ánh sáng mặt trời, góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang nền năng lượng bền vững.
