Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo các vật liệu quang xúc tác cấu trúc nano từ các kim loại có trữ lượng lớn cho phản ứng oxi hóa nước (tạo O₂) và khử nước tạo nhiên liệu H₂, sử dụng các kĩ thuật chế tạo đơn giản có khả năng mở rộng chế tạo khối lượng lớn, phù hợp cho việc chế tạo các linh kiện quang điện hóa (lá nhân tạo) có diện tích làm việc lớn.
Các mục tiêu cụ thể của đề tài như sau:
(i) Chế tạo các vật liệu cấu trúc nano BiVO₄, Fe₂O₃, WO₃ và các vật liệu biến tính của chúng làm xúc tác quang cho phản ứng oxi hóa nước tạo O_2.
(ii) Chế tạo các vật liệu cấu trúc nano Cu₂O, CZTS và các vật liệu biến tính của chúng làm xúc tác quang cho phản ứng khử H+ tạo H₂ trong nước.
(iii) Nghiên cứu mối quan hệ giữa vi hình thái cấu trúc, thành phần hóa học, hóa học bề mặt vv với hoạt tính xúc tác quang hóa của vật liệu.
(iv) Chế tạo mực xúc tác, từ đó chế tạo các điện cực anot, catot quang và linh kiện quang điện hóa (PEC/ Lá nhân tạo) có kích thước 1x1 cm2 và 10x10cm2. Nghiên cứu đánh giá hoạt tính quang xúc tác và cơ chế hoạt động của chúng.

-    Về khoa học:
(i) Đã tổng hợp được các vật liệu BiVO₄, WO₃, -Fe₂O₃ và một số biến tính của nó có cấu trúc nano. Các vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng điện hóa, thủy nhiệt hoặc kết tủa từ dung dịch.
Vật liệu BiVO4/AgOx mà ở đó các hạt nano AgOx được phân tán lên trên bề mặt BiVO4 thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn và độ bền trong điều kiện hoạt động quang xúc tác tốt hơn so với vật liệu BiVO₄ không biến tính. Khi làm việc trong môi trường điện li là dung dịch đệm phosphate pH 7 và chiếu ánh sáng 1 sun, vật liệu BiVO₄/AgOx cho thế bắt đầu làm việc quang xúc tác tại 0,4V vs. RHE và mật độ dòng quang xúc tác 4,65 mA/cm2 tại thế áp 1,23V vs. RHE. Kết quả này thuộc nhóm những hoạt tính xúc tác tốt nhất đã được công bố cho vật liệu quang xúc tác trên cơ sở BiVO₄.
Vật liệu quang xúc tác WO3 phát triển trong đề tài này cho hoạt tính quang xúc tác rất tốt: thế bắt đầu làm việc tại 0,5V vs. RHE và tạo một mật độ dòng quang xúc tác 2 mA/cm2 khi áp thế 1,23V vs. RHE và chiếu ánh sáng 1 sun. Hoạt tính quang xúc tác phụ thuộc vào hướng chiếu sáng và bản chất của dung dịch điện li sử dụng (bản chất anion và pH của dung dịch). Với tất cả các chiều dày màng WO3 đã nghiên cứu, chiếu sáng từ mặt sau (từ phía FTO lên màng WO3) luôn cho mật độ dòng quang xúc tác lớn hơn khi chiếu từ mặt trước (từ màng WO3). Tuy nhiên, mật độ dòng quang xúc tác thu được cũng bị giảm nhanh hơn khi chiếu sáng từ mặt sau. Trùng hợp với hiện tượng này, nồng độ W hòa tan trong dung dịch điện li phosphate tăng khi mật độ dòng quang xúc tác giảm.
Các vật liệu -Fe₂O₃ có hình thái khác nhau: đĩa nano, nanodendrite được tổng hợp. Tuy nhiên, các vật liệu này cho hoạt tính quang xúc tác kém. Trong dung dịch pH 7 và chiếu sáng 1 sun, vật liệu -Fe₂O₃ cho thế bắt đầu làm việc quang xúc tác tại 0,6V vs. RHE (thế này là chấp nhận được so với kết quả đã công bố cho những xúc tác quang -Fe₂O₃ tốt nhất hiện nay: 0,6–0,8V vs. RHE), và mật độ dòng quang xúc tác là 50 µA/cm2 tại thế áp 1,23 V vs. RHE.  
Trong một hướng tiếp cận khác, nano Fe@FeO_x hình cầu có cấu trúc lõi/vỏ được biến tính bề mặt với các phân tử nhạy sáng là phức [Ru(phenanthroline)3]2+ chứa nhóm chức phosphonate. Trong hệ Fe@FeOx@[Ru(phenanthroline)3]2+,  [Ru(phenanthroline)3]2+ hấp thụ ánh sáng và Fe@FeOx xúc tác quá trình oxi hóa nước. Sự tương tác điện tử giữa 2 hợp phần này quyết định hoạt tính xúc tác chung của cả hệ xúc tác quang Fe@FeOx@[Ru(phenanthroline)3]2+. Nghiên cứu cho thấy phân tử O₂ được tạo ra trên hạt nano xúc tác Fe@FeO_x có thể phản ứng làm giảm thời gian sống của trạng thái kích thích điện tử của [Ru(phenanthroline)3]2+. Kết quả là hoạt tính quang xúc tác chung của hệ giảm.
(ii) Các vật liệu Cu₂O, CZTS và biến tính của chúng đã được chế tạo sử dụng phương pháp lắng đọng điện hóa và kết tủa trong dung dịch.
Màng mỏng Cu₂O được lắng đọng điện hóa trên đế FTO sử dụng một dung dịch điện phân chứa muối Cu₂₊ trong lactate pH12. Trong khi các hạt nano Cu₂O có hình thái khác nhau: lập phương hoặc cầu rỗng được tổng hợp khi khử tiền chất Cu(OH)₂ tại các điều kiện pH khác nhau sử dụng chất khử muối citrate. Bề mặt của Cu₂O được biến tính với một lớp TiO₂ hoặc CdS, tạo thành lớp chuyển đổi p-n Cu₂O/TiO₂ hoặc Cu₂O/CdS. Trong dung dịch đệm phosphate pH 7 và chiếu sáng 1 sun, quang xúc tác Cu₂O/TiO₂ và Cu₂O/CdS đều cho thế bắt đầu làm việc tại 0,5 V vs. RHE. Tuy nhiên, Cu2O/CdS cho mật độ dòng quang xúc tác cao hơn so với Cu₂O/TiO₂: 1,9 so với 0,5 mA/cm2 tại thế áp 0V vs. RHE. Cu₂O/CdS cũng có độ bền tốt hơn Cu₂O/TiO₂ khi làm việc quang xúc tác.  
Nano CZTS cũng đã được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa dung dịch sử dụng hỗn hợp muối Cu2+, Zn2+, Sn2+ và S2- trong nước. Tuy nhiên vật liệu này không thể hiện hoạt tính quang xúc tác khi được thử nghiệm trong điều kiện pH 7 và chiếu sáng 1 Sun. Ngay cả khi không chiếu sáng, CZTS cũng cho dòng ăn mòn điện hóa rất lớn chứng tỏ nó không bền (điện) hóa trong điều kiện thử nghiệm.
(iii) Mực xúc tác quang được chế tạo từ vật liệu nano BiVO₄, WO₃, -Fe₂O₃, Cu₂O/TiO₂, Cu₂O/CdS, và CZTS phân tán trong các dung môi thích hợp như nước, methanol hoặc hỗn hợp nước/methanol, nước/ethanol. Một số polymer như Aristoflex velvet, Nafion được thêm vào làm tăng độ phân tán và kết dính của nano BiVO_4, WO₃, -Fe₂O₃, Cu₂O/TiO₂, Cu₂O/CdS, và CZTS. Các mực xúc tác thu được có thể bền nhiều giờ không có hiện tượng lắng đọng vật liệu quang xúc tác.
Cán mực quang xúc tác lên trên đế FTO thu được các điện cực quang xúc tác. Hai kĩ thuật cán màng sử dụng trong nghiên cứu này là: cán doctor blade hoặc nhỏ-làm khô (drop-casting).
(iv) Hai thiết kế đã được sử dụng cho việc chế tạo linh kiện quang điện hóa (lá nhân tạo) hoàn chỉnh. Thiết kế 1 (thiết kế được Honda-Fujishima sử dụng cho nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực năm 1972) gồm 1 điện cực anot quang BiVO4/AgOx kết nối với một điện cực catot là một sợi dây Pt. Thiết kế 2 gồm 2 điện cực là anot quang BiVO4/AgOx và catot quang Cu2O/TiO2 (hoặc Cu2O/CdS). Với thiết kế 1, hiệu suất chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành H2 là 1,6%. Linh kiện theo thiết kế này có thể làm việc trong nhiều giờ: ví dụ, khi thử nghiệm trong 12 giờ làm việc chỉ cho thấy giảm mất 11% hiệu suất ban đầu. Với thiết kế 2, hiệu suất chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành H2 được xác định là 0,43%. Một điểm trừ khác của hệ hai điện cực quang này là sự sụt giảm hoạt tính quang xúc tác rất nhanh. Hệ thường chỉ bền trong vài phút làm việc.  

-    Về ứng dụng: Các linh kiện chế tạo được trong đề tài chưa sẵn sàng cho thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Nghiên cứu trên hệ xúc tác quang BiVO4/AgOx đã chỉ ra vai trò quan trọng của AgOx, một chất thu lỗ trống – hole collector) trong việc làm tăng đáng kể hoạt tính quang xúc tác và độ bền vật liệu quang BiVO4. Kết quả này là mới và có phần khá ngạc nhiên vì trước nay cộng đồng nghiên cứu tin rằng để làm tăng hoạt tính quang xúc tác của BiVO4 thì cần phải dùng một xúc tác điện hóa tốt thúc đẩy tốc độ của phản ứng oxi hóa nước. Tuy nhiên, AgOx thì được biết  là một chất xúc tác điện hóa rất tệ cho phản ứng oxi hóa nước (điều này được khẳng định lại trong nghiên cứu này). Các kết quả cho thấy tương tác tốt giữa hai hợp phần: quang xúc tác và chất nhận lỗ trống (hole collector) quyết định tới hoạt động quang xúc tác của cả hệ BiVO4/AgOx mà không phải hoạt tính xúc tác của chất nhận lỗ trống quyết định.   
Nghiên cứu trên hệ quang xúc tác WO3 cho thấy ảnh hưởng quan trọng của hướng chiếu sáng và bản chất của dung dịch điện li (bản chất hóa học của anion và pH của dung dịch) tới hoạt tính quang xúc tác. Kết quả này khẳng định trong hệ quang xúc tác WO3, lỗ trống được vận chuyển thuận lợi; yếu tố quyết định là khả năng vận chuyển điện tử. Ngoài ra, đề tài cũng lần đầu tiên đưa ra kết quả thực nghiệm góp phần làm rõ mối quan hệ giữa hoạt tính & độ bền quang xúc tác của WO3 với sự hòa tan nó vào trong dung dịch chất điện li. Chúng tôi đã đề nghị một cơ chế làm việc trong đó nhấn mạnh tới khả năng phá hủy (hòa tan) WO3 của H2O2, gốc tự do OH-. là những sản phẩm phụ (không mong muốn) của quá trình oxi hóa nước.   
Đề tài cung cấp thêm một thiết kế mới cho hệ quang xúc tác hybrid: Fe@FeOx@[Ru(phenanthroline)]2+ mà trong đó hợp phần phức [Ru(phenanthroline)]2+  ngạy sáng và hợp phần xúc tác nano Fe@FeOx được kết nối qua một cầu phosphonate. Các kết quả thu được cho 2 thông tin quan trọng: (i) liên kết cộng hóa trị qua cầu phosphonate giúp tăng cường sự trao đổi electron giữa hai hợp phần, và (ii) O2 tạo thành trên bề mặt xúc tác nano Fe@FeOx góp phần dập tắt trạng thái kích thích electron của phức [Ru(phenanthroline)]2+ dẫn tới làm giảm thời gian sống của nó và hoạt tính quang xúc tác của cả hệ Fe@FeOx@[Ru(phenanthroline)]2+. Như vậy, một trong những thách thức cần phải giải quyết tiếp theo là làm sao tạo nhiều O2 (tăng tốc độ phản ứng oxi hóa nước) nhưng phải nhanh chóng loại được nó ra khỏi hệ quang xúc tác Fe@FeOx@[Ru(phenanthroline)]2+ để duy trì khả năng làm việc của chất nhạy sáng [Ru(phenanthroline)]2+.

Nhóm nghiên cứu mong muốn tiếp tục nhận được sự ủng hộ của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam để phát triển hướng nghiên cứu này. Trong thời gian tới, nghiên cứu làm rõ nguyên nhân gây ra sự phá hủy của vật liệu quang xúc tác BiVO4, WO3 trong quá trình làm việc và từ đó tìm kiếm các giải pháp tiềm năng để bảo vệ chúng có ý nghĩa quan trọng, quyết định đến khả năng ứng dụng các vật liệu quang xúc tác này trong thực tế.