Từ phòng thí nghiệm đến giải pháp môi trường thực tiễn – đó là chặng đường đầy tâm huyết mà nhóm sinh viên Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã kiên trì theo đuổi trong quá trình nghiên cứu vật liệu ZnO pha tạp Co nhằm ứng dụng xử lý nước thải.
Đề tài không chỉ mang đến kết quả ấn tượng về hiệu suất quang xúc tác mà còn là minh chứng rõ nét cho giá trị của việc sinh viên được tham gia nghiên cứu khoa học từ sớm dưới sự hướng dẫn tận tình của các giảng viên. Đề tài cùng được giải Nhất cấp Khoa và giải Nhì cấp Trường tại Hội nghị Sinh viên nghiên cứu khoa học của Trường ĐH Công nghệ năm 2025.
ZnO – Vật liệu quang xúc tác tiềm năng trong xử lý chất nhuộm hữu cơ
Xuất phát từ thực tế ô nhiễm nước do ngành công nghiệp dệt may gây ra – đặc biệt là tình trạng thải các chất nhuộm hữu cơ như Rhodamine B – nhóm sinh viên Nguyễn Thị Trà My, Nguyễn Văn Sỹ, Vũ Thị Thương Thảo và Nguyễn Hoàng Phúc K66 và 67 Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano được giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Huy Tiệp thôi thúc và đã quyết định nghiên cứu vật liệu bán dẫn ZnO (Oxide kẽm) – một ứng viên giàu triển vọng trong lĩnh vực xử lý môi trường nhờ khả năng quang xúc tác mạnh dưới ánh sáng UV.
Hình ảnh SEM của ZnO thuần trên 4 loại đế khác nhau
“Điều khiến nhóm em lựa chọn ZnO là vì đây là vật liệu có chi phí sản xuất thấp, dễ tổng hợp, thân thiện với môi trường và có hiệu suất phân hủy chất hữu cơ rất tốt. So với TiO₂, ZnO còn có lợi thế trong khả năng hấp thụ ánh sáng vùng UV, phù hợp với các ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải”, bạn Nguyễn Văn Sỹ chia sẻ.
Nhờ vào đặc tính này, dưới tác động của ánh sáng UV, ZnO có thể kích hoạt phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, biến chúng thành các sản phẩm vô hại như CO₂ và nước. Với tầm nhìn ứng dụng thực tế rõ ràng, nhóm sinh viên đã dành nhiều tháng miệt mài nghiên cứu, tổng hợp và tối ưu vật liệu, hướng đến một giải pháp bền vững, hiệu quả cao trong xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm.
Sáng tạo trong thử nghiệm – chọn đế phù hợp để tăng hiệu suất vật liệu
Một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả quang xúc tác của ZnO chính là loại đế được sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu. Nhóm đã thử nghiệm trên 4 loại đế khác nhau: Si (100), Si (111), FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) và đế thủy tinh.
“Kết quả SEM cho thấy đế Si (100) cho ra các hạt nano ZnO có hình thái đồng đều và rõ ràng nhất, chủ yếu là các thanh nano tiết diện lục giác, giúp tăng diện tích tiếp xúc ánh sáng và nhờ đó tăng hiệu suất quang xúc tác. Trong khi đó, các đế khác lại tạo ra hạt có hình dạng không đồng nhất hoặc kết cấu lỏng lẻo, dẫn tới hiệu suất kém hơn rõ rệt”, đại diện nhóm Nguyễn Thị Trà My giải thích.
Đáng chú ý, vật liệu ZnO trên đế Si (100) cho hiệu suất phân hủy Rhodamine B lên tới hơn 90% chỉ trong vòng 30 phút, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn rất lớn.
Không dừng lại ở việc lựa chọn đế phù hợp, nhóm tiếp tục thử nghiệm pha tạp nguyên tố Cobalt (Co) vào vật liệu ZnO nhằm nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu suất quang xúc tác. Việc pha tạp Co đã giúp điều chỉnh vùng năng lượng của ZnO, giảm khoảng cách vùng cấm từ 3.37 eV xuống còn khoảng 3.1 eV – qua đó cho phép ZnO-Co hấp thụ thêm ánh sáng ở vùng khả kiến.
Kết quả phân hủy Rhodamine B của ZnO-Co với nồng độ lần lượt từ 1%-6% trong vòng 30 phút
Đồng thời, sự hiện diện của Co giúp hạn chế hiện tượng tái hợp của cặp electron-hole sinh ra trong quá trình chiếu sáng, từ đó tăng khả năng tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh – yếu tố then chốt trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.
Khi thử nghiệm với các mức pha tạp từ 1% đến 6%, nhóm phát hiện nồng độ Co 5% là tối ưu nhất – cho hiệu suất phân hủy Rhodamine B đạt tới 97% chỉ trong vòng hơn 15 phút dưới ánh sáng UV. Tuy nhiên, nếu tăng nồng độ lên 6%, hiệu suất lại giảm vì các trung tâm tái hợp electron-hole xuất hiện nhiều hơn, đây cũng là bước đột phá trong mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, trưởng nhóm Vũ Thị Thương Thảo cho biết.
Trải nghiệm nghiên cứu khoa học: nuôi dưỡng đam mê
Không chỉ đem lại kết quả khoa học ấn tượng, hành trình nghiên cứu còn là quá trình rèn luyện kỹ năng và tư duy cho các bạn sinh viên. Theo nhóm nghiên cứu, điều khó khăn nhất chính là khâu thực nghiệm: “Có những ngày chúng em phải lặp lại một quy trình đến lần thứ ba, thứ tư vì vật liệu không đạt yêu cầu. Tuy vất vả nhưng nhờ vậy mà chúng em học được cách kiên nhẫn, phân tích sai lệch và cải tiến quy trình”, sinh viên Nguyễn Hoàng Phúc chia sẻ.
Điều khiến nhóm cảm thấy tự hào nhất là kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà đã chứng minh được hiệu quả rõ ràng trong xử lý chất ô nhiễm thực tế. “Khi nhìn thấy dung dịch Rhodamine B chuyển từ màu hồng đậm sang gần như trong suốt chỉ sau 15 phút, chúng em thực sự xúc động. Mình đang tạo ra một sản phẩm có thể mang lại điều tốt đẹp hơn cho môi trường và cộng đồng”, nhóm đồng tình chia sẻ.
Lợi thế khi sinh viên được làm nghiên cứu
Từ góc nhìn của nhóm sinh viên, việc được tiếp cận với nghiên cứu khoa học từ năm 2, năm 3 đại học là một lợi thế rất lớn. Đề tài không chỉ giúp nhóm áp dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế, mà còn trang bị các kỹ năng quan trọng như làm việc nhóm, tư duy phân tích, sử dụng thiết bị hiện đại và viết báo cáo khoa học.
“Làm nghiên cứu khoa học giúp em hiểu sâu hơn về ngành mình đang học, từ đó định hướng rõ hơn về nghề nghiệp tương lai. Quan trọng hơn, tụi em cảm thấy mình được chủ động để khám phá, sáng tạo và đóng góp – điều mà sách giáo khoa không thể truyền tải được”, nhóm nhấn mạnh.
TS. Nguyễn Huy Tiệp, giảng viên hướng dẫn nhóm cho biết tinh thần nghiêm túc và say mê của sinh viên là điều giáo viên rất trân trọng. “Tôi rất ấn tượng với sự chủ động và tinh thần trách nhiệm của các em trong quá trình thực hiện đề tài. Dù mới là sinh viên năm 2, năm 3 nhưng các bạn không ngại thử nghiệm, không ngại sai, và rất biết lắng nghe để cải thiện. Đây là những phẩm chất rất quý trong nghiên cứu khoa học.”
Thầy Nguyễn Huy Tiệp cũng cho rằng, môi trường học thuật tại Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN luôn khuyến khích sinh viên tiếp cận nghiên cứu từ sớm. “Chúng tôi mong muốn sinh viên không chỉ học để thi, mà học để sáng tạo, học để giải quyết vấn đề. Và đề tài của nhóm là minh chứng sinh động cho tinh thần đó.”
Với kết quả nghiên cứu khả quan, nhóm dự định tiếp tục mở rộng đề tài theo hướng ứng dụng vào hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn, kiểm tra độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu, cũng như tích hợp ZnO-Co với các vật liệu khác để tăng hiệu quả. Thầy và trò nhóm nghiên cứu tin rằng khoa học chỉ thực sự có ý nghĩa khi nó được áp dụng vào cuộc sống. Mục tiêu cuối cùng của nhóm không chỉ là có một bài báo hay một giải thưởng, mà là góp phần tạo ra một giải pháp hữu ích và bền vững cho xã hội”, sinh viên Nguyễn Thị Trà My nói.
Từ một nhóm sinh viên đầy tò mò, nhóm nghiên cứu vật liệu ZnO-Co đã bước đầu chạm tới những kết quả khoa học có giá trị thực tiễn. Hành trình này không chỉ góp phần giải quyết một vấn đề môi trường nhức nhối, mà còn là minh chứng sống động cho tiềm năng của sinh viên Việt Nam khi được học tập, nghiên cứu trong một môi trường học thuật khai phóng và đổi mới của ĐHQGHN.