Tinh thể siêu sạch: Khung hữu cơ kim loại tạo nền tảng vững chắc cho tương lai bền vững của nước và năng lượng

Phàn Tước

27-03-2025  

“– Although cats are scary, with our intelligence, we can subdue and even change them. Don’t you see that my friendship with Kitty has made the whole village way more respectful and admiring toward me?”

Trích “Brotherhood”; Wild Wise Weird [1]

Hình ảnh mang tính minh họa

Khi thế giới đối mặt với những thách thức môi trường ngày càng gia tăng, các nhà khoa học đang hướng tới một lớp vật liệu tiên tiến gọi là Khung Hữu cơ Kim loại (Metal-Organic Frameworks gọi tắt là MOFs) để làm sạch ô nhiễm và thúc đẩy đổi mới bền vững. MOFs là vật liệu tinh thể được tạo ra bằng cách kết hợp các ion kim loại với các liên kết hữu cơ, tạo thành các cấu trúc có độ xốp cao có thể bẫy và chuyển hóa các chất độc hại [2].

Điều khiến MOFs trở nên đặc biệt là khả năng điều chỉnh của chúng [3]. Không giống như các vật liệu truyền thống như than hoạt tính hoặc zeolit, MOFs có kích thước lỗ rỗng và bề mặt có thể tùy chỉnh, cho phép chúng chọn lọc bẫy các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh và thậm chí cả khí nhà kính. Độ chính xác này khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng để xử lý nước thải công nghiệp phức tạp và để sử dụng trong các công nghệ năng lượng sạch.

Trong các ứng dụng môi trường, MOFs có thể được chức năng hóa – sửa đổi hóa học – để tăng cường khả năng hấp thụ hoặc phân hủy các chất gây ô nhiễm cụ thể. Một số biến thể thậm chí có khả năng tái tạo, làm cho chúng có thể tái sử dụng và tiết kiệm chi phí [4]. Ngoài xử lý nước, MOFs đang được khám phá để thu giữ carbon, lưu trữ hydro, vận chuyển thuốc và pin hiệu suất cao. Các nhà nghiên cứu cũng đang đổi mới các phương pháp sản xuất MOFs thân thiện với môi trường hơn, sử dụng các kỹ thuật như tổng hợp vi sóng (microwave synthesis) và cơ hóa học. Những tiến bộ này có thể giúp khắc phục những hạn chế hiện tại liên quan đến chi phí, độ ổn định và khả năng mở rộng, đưa MOFs đến gần hơn với việc sử dụng rộng rãi trong thế giới thực [2].

MOFs minh họa cho mối liên kết đang phát triển giữa tự nhiên và sự khéo léo của con người – vật liệu lấy cảm hứng từ hóa học và được thiết kế cho sự bền vững [5]. Khi khoa học tiếp tục tinh chỉnh các khung phân tử này, chúng mang đến những công cụ mạnh mẽ để chữa lành hệ sinh thái, khép kín các vòng tài nguyên và định hình một tương lai sạch hơn, tuần hoàn hơn.

Tài liệu tham khảo

[1] Vuong QH. (2024). Wild Wise Weird. https://www.amazon.com/dp/B0BG2NNHY6/

[2] Singh S, et al. (2024). Metal organic frameworks for wastewater treatment, renewable energy and circular economy contributions. npj Clean Water, 7, 124. https://www.nature.com/articles/s41545-024-00408-4 

[3] Li JR, et al. (2011). Metal–Organic Frameworks for separations. Chemical Reviews, 112(2), 869-932. https://doi.org/10.1021/cr200190s 

[4] Jiang SY, et al. (2018). Introduction of molecular building blocks to improve the stability of Metal–Organic Frameworks for efficient Mercury removal. Inorganic Chemistry, 57(10), 6118-6123. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b00704 

[5] Nguyen MH. (2024). How can satirical fables offer us a vision for sustainability? Visions for Sustainability. https://ojs.unito.it/index.php/visions/article/view/11267