Nhật Bản biến rác nhựa thành siêu vật liệu lọc nước bằng ánh sáng mặt trời

Các nhà khoa học ngày càng quan tâm đến ý tưởng tận dụng năng lượng mặt trời như một đồng minh mạnh mẽ trong việc làm sạch nguồn nước ô nhiễm.

Công nghệ quang xúc tác (photocatalyst) cho phép dùng ánh sáng mặt trời để phân hủy các chất độc hại trong nước, trong khi bay hơi quang nhiệt (photothermal evaporation) lại sử dụng năng lượng này để làm nóng và bay hơi nước bẩn, sau đó ngưng tụ thành nước tinh khiết có thể uống được.

Tuy nhiên, cả hai phương pháp thường đòi hỏi vật liệu đắt tiền hoặc khó chế tạo, khiến việc triển khai ở quy mô lớn gặp nhiều hạn chế. Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang tìm cách tạo ra một vật liệu duy nhất, giá rẻ, hiệu quả, có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ lọc nước khác nhau — và lý tưởng nhất là được làm từ nguồn phế thải sẵn có.

Biến rác nhựa thành chất xúc tác đa năng

Trong một bước tiến đột phá, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nagoya (NITech), Nhật Bản, do Phó giáo sư Takashi Shirai dẫn đầu, cùng các cộng sự Kunihiko Kato, Yunzi Xin và Yuping Xu, đã tìm ra cách biến rác nhựa thông thường thành vật liệu mới có khả năng lọc và khử muối trong nước bằng ánh sáng mặt trời.

Để tạo ra vật liệu này, nhóm nghiên cứu sử dụng máy nghiền bi hành tinh (planetary ball mill) và tinh chỉnh tỉ mỉ quy trình nghiền. Họ bắt đầu với hỗn hợp molybdenum trioxide (MoO₃) và polypropylene (PP) – loại nhựa phổ biến trong bao bì và đồ gia dụng.

Nhờ cơ chế cơ học chính xác, hỗn hợp rác thải này được biến đổi thành các hạt composite chứa hydrogen molybdenum bronze (HxMoO₃–y), molybdenum dioxide (MoO₂) và carbon hoạt tính – ba thành phần phối hợp để hấp thụ ánh sáng mặt trời và thúc đẩy nhiều phản ứng lọc nước khác nhau.

“Quy trình cơ hóa mà chúng tôi đề xuất vượt trội hơn các phương pháp hiện tại cả về hiệu suất năng lượng lẫn chi phí,“ Tiến sĩ Shirai nhấn mạnh.

Một vật liệu – nhiều khả năng đáng kinh ngạc

Qua hàng loạt thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện vật liệu composite này hấp thụ được phổ ánh sáng rộng – từ hồng ngoại gần (NIR), ánh sáng khả kiến (Visible) cho tới tử ngoại (UV), giúp phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ độc hại trong nước.

Đáng chú ý, ngay cả khi không có ánh sáng, các hạt này vẫn hoạt động như chất xúc tác acid Brønsted, tiếp tục loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nước.

Ngoài ra, vật liệu còn thể hiện hiệu ứng plasmonic giúp hấp thụ và chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành nhiệt cực nhanh, tạo ra hiệu ứng quang nhiệt (photothermal effect) giúp bay hơi nước bẩn với hiệu suất cao vượt trội.

Các hạt carbon có chứa oxy còn sót lại trong quá trình nghiền cũng có thể hấp phụ và loại bỏ ion kim loại nặng khỏi nước thải – bổ sung thêm một cơ chế làm sạch tự nhiên.

Nhóm nghiên cứu hiện đang tiếp tục tinh chỉnh quy trình nghiền bi để tạo ra những chất xúc tác “tất cả trong một” tương tự, phục vụ xử lý nước và các ứng dụng môi trường khác.

“Công nghệ của chúng tôi có thể được áp dụng cho nhiều loại oxit và nhựa khác nhau. Chúng tôi tin rằng nó sẽ giúp nâng cấp vật liệu hiện có, tái sinh rác nhựa và đảm bảo nguồn nước uống an toàn cho cộng đồng,” Tiến sĩ Shirai chia sẻ.