MSc. Do Dinh Khai

Vật liệu perovskite halogenua lai vô cơ - hữu cơ có công thức hóa học chung là ABX₃ (cấu trúc 3 chiều), trong đó A cation hữu cơ (CH₃NH₃ ⁺, HC(NH₂)₂ ⁺…), B là cation vô cơ (Pb²⁺, Sn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺…), X là halogenua (Cl^-, Br^-, I^-). Cấu trúc tinh thể của perovskite khá phổ biến trong nhiều loại vật liệu: dẫn điện, nam châm, năng lượng tái tạo và phát quang.

Mô hình cấu trúc chung của vật liệu perovskite 3 chiều

Nhờ sự thay thế, kết hợp gần như vô hạn giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ cho phép tạo ra không chỉ các vật liệu quang điện tử hiệu quả mà còn cả các vật liệu với các chức năng mới lạ như sắt điện (ferroelectricity), áp điện (piezoelectricity), hoặc các tính chất từ tính thú vị.

Bên cạnh đó có thể tạo ra màng perovskite chất lượng cao bằng các phương pháp đơn giản như phủ quay, in phun từ dung dịch... ngay trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường mà không phải sử dụng các thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp của công nghệ bán dẫn truyền thống!

Hãy tưởng tượng cấu trúc perovskite 3D giống như một khối lập phương vô hạn, nơi các khối bát diện [BX₆] (M là kim loại như chì Pb hoặc thiếc Sn; X là halogen như I, Br, Cl) liên kết góc với nhau, tạo thành một mạng lưới không gian ba chiều. Xen kẽ trong các lỗ trống của mạng lưới này là các cation hữu cơ nhỏ như methylammonium (MA⁺) hoặc formamidinium (FA⁺).

Trong khi đó, cấu trúc 2D giống như một chồng "bánh sandwich" ở kích thước nano. "Lớp nhân" là các tấm perovskite vô cơ mỏng (chỉ dày một hoặc vài lớp đơn vị tế bào của cấu trúc 3D), có công thức tổng quát là [BX₄]^2- hoặc [(A')_n-1B_nX_3n+1]-(n-1)+ (với A' là cation hữu cơ nhỏ như MA⁺, FA⁺; n là số lớp bát diện trong một tấm). "Lớp vỏ" kẹp giữa các tấm vô cơ này là các lớp cation hữu cơ lớn, cồng kềnh và thường có tính kỵ nước như butylammonium (BA⁺), phenethylammonium (PEA⁺).

Hình mô tả cấu trúc perovskite 2D, trong đó sự xen kẽ giữa các lớp vô cơ bán dẫn và lớp hữu cơ cách điện tạo thành một cấu trúc giếng lượng tử tự nhiên (natural quantum well) hoặc siêu mạng tinh thể (superlattice)

Cấu trúc 2D giúp "giam giữ" các cặp electron - lỗ trống (gọi là "hạt" exciton) rất hiệu quả. Các exciton này bị giam giữ trong các tấm vô cơ mỏng, bền vững và dễ dàng tái hợp để phát ra ánh sáng, dẫn đến hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh mẽ, làm cho perovskite 2D trở thành ứng cử viên sáng giá cho màn hình LED thế hệ mới, laser và các thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao.

Cấu trúc vật liệu perovskite 2D với số lớp khác nhau và được kết nối với nhau bởi liên kết Van-der-Waals cho phép tạo ra các tính chất cơ học và điện tự rất khác biệt Khi thay đổi thành phần của perovskite, nhà khoa học có thể linh hoạt điều chỉnh dải bước sóng phát ra của chúng để tạo ra các phổ màu khác nhau.

Với những ưu điểm nổi bật về độ bền, khả năng tùy biến và tính chất quang điện tử độc đáo, perovskite 2D đang được nghiên cứu tích cực cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng:

Pin mặt trời: Đặc biệt là trong các cấu trúc pin mặt trời tandem (kết hợp với silicon hoặc perovskite 3D) hoặc sử dụng như lớp bảo vệ bề mặt, lớp tiếp xúc chọn lọc để tăng hiệu suất và độ bền.
Điốt phát quang (LED): Cho ánh sáng màu sắc tinh khiết, hiệu suất cao và có thể điều chỉnh được bước sóng phát xạ.
Laser: Exciton bền vững và hiệu suất phát quang cao là nền tảng cho việc chế tạo các nguồn phát laser chi phí thấp.
Bộ tách sóng quang (Photodetector): Nhạy với ánh sáng trên dải phổ rộng.
Transistor hiệu ứng trường (FET): Khám phá tiềm năng trong điện tử học linh hoạt.
Nghiên cứu cơ bản: Là nền tảng tuyệt vời để nghiên cứu các hiện tượng vật lý lượng tử ở trạng thái rắn, tương tác exciton-exciton, exciton-phonon, và các trạng thái vật chất mới lạ.

Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn non trẻ và còn rất nhiều thách thức cũng như cơ hội nghiên cứu vì tiềm năng ứng dụng của chúng là cực kỳ lớn:

Hiểu sâu hơn về mối quan hệ cấu trúc - tính chất.
Kiểm soát định hướng của các tấm perovskite trong màng mỏng để tối ưu hóa việc vận chuyển điện tích.
Khám phá các cation hữu cơ mới và các thành phần vô cơ mới (ví dụ: perovskite không chì).
Cải thiện hiệu suất lượng tử phát quang và hiệu suất thiết bị.
Nghiên cứu cơ chế suy giảm và tăng cường độ bền lâu dài, do các thành phần cấu tạo nên chúng rất dễ bị phá hủy/thay đổi do các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm môi trường,...
Phát triển các kỹ thuật chế tạo quy mô lớn.

Chỉ trong một thời gian ngắn, các perovskite đã có sự phát triển nhanh chưa từng thấy so với các vật liệu trước đó, đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực pin năng lượng mặt trời. Chỉ vài năm từ 2012 đến nay, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời perovskite đã tăng đáng kể, đạt ~ 23% (theo công bố tháng 12/2018 của NREL).

Nếu bạn muốn đón đầu xu hướng công nghệ vật liệu mới, tạo ra những thiết bị đột phá và khám phá khoa học cơ bản hấp dẫn, hãy tìm hiểu và tham gia vào thế giới của perovskite nói chung và perovskite hai chiều nói riêng.

2.2. DOE, computing, simulation, and optimization in experiment and chemical technology processes

Ngành Công nghệ Hóa học ngày nay đối mặt với những hệ thống và quy trình ngày càng phức tạp, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc và khả năng kiểm soát chặt chẽ để đạt được hiệu quả, an toàn và bền vững. Từ việc phát triển vật liệu mới, thiết kế lò phản ứng, tối ưu hóa quy trình sản xuất đến kiểm soát chất lượng sản phẩm, các kỹ sư hóa học cần những công cụ mạnh mẽ để đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu và hiểu biết khoa học thay vì chỉ dựa vào kinh nghiệm hay phương pháp thử-và-sai (trial-and-error) truyền thống. Trong bối cảnh đó, bộ ba phương pháp: Quy hoạch thực nghiệm (Design of Experiments - DOE), Tính toán mô phỏng (Simulation) và Tối ưu hóa (Optimization), được hỗ trợ bởi các phần mềm kỹ thuật chuyên ngành như MATLAB, COMSOL... đã trở thành những trụ cột không thể thiếu.

Quy hoạch thực nghiệm (DOE - Design of Experiment): Thực hiện thí nghiệm một cách thông minh

Thay vì thay đổi từng yếu tố một cách riêng lẻ để xem ảnh hưởng (phương pháp OFAT - One Factor At a Time), DOE cung cấp một cách tiếp cận có hệ thống và hiệu quả để lập kế hoạch, thực hiện và phân tích các thí nghiệm. Mục tiêu chính là xác định mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố đầu vào (biến số độc lập, ví dụ: nhiệt độ, áp suất, nồng độ, tốc độ dòng chảy) và các đáp ứng đầu ra (biến số phụ thuộc, ví dụ: hiệu suất phản ứng, độ tinh khiết, độ bền vật liệu).

DOE sử dụng các nguyên tắc về khoa học thống kê để thiết kế ma trận thí nghiệm sao cho với số lượng thí nghiệm tối thiểu nên kết quả thu được rất đáng tin cậy, có cơ sở giải thích một cách khoa học về:

Ảnh hưởng của từng yếu tố riêng lẻ.
Sự tương tác giữa các yếu tố (điều mà OFAT thường bỏ lỡ).
Xây dựng các mô hình toán học thực nghiệm (empirical models) mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra.

Các phương pháp DOE phổ biến bao gồm thiết kế theo nhân tố (Factorial Design), thiết kế sàng lọc (Screening Design), và đặc biệt là phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) thường được dùng để tìm điều kiện tối ưu cục bộ. Việc phân tích dữ liệu DOE, thường được hỗ trợ bởi các phần mềm thống kê hoặc các toolbox trong MATLAB, giúp kỹ sư xác định các yếu tố quan trọng nhất và xây dựng các mô hình dự đoán ban đầu. Lợi ích chính của DOE là tiết kiệm đáng kể thời gian, chi phí và nguồn lực so với cách làm thí nghiệm truyền thống, đồng thời mang lại hiểu biết sâu sắc hơn về quy trình.

Tính toán mô phỏng: "Phòng thí nghiệm ảo" đa năng

Trong khi DOE dựa trên dữ liệu thực nghiệm, mô phỏng lại sử dụng các mô hình toán học dựa trên các nguyên lý cơ bản (như định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng, động lượng, các phương trình động học phản ứng, nhiệt động lực học, các hiện tượng truyền chất, truyền nhiệt) để tái tạo lại hoạt động của một hệ thống hoặc quy trình trên máy tính. Đây được xem như một "phòng thí nghiệm ảo".

Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng thường sử dụng:

COMSOL Multiphysics: Là một công cụ mạnh mẽ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp và thường là đa trường (multiphysics). Trong kỹ thuật hóa học, COMSOL rất hữu ích để mô phỏng chi tiết dòng chảy trong thiết bị phản ứng (CFD), quá trình truyền nhiệt và truyền khối, phản ứng hóa học trong không gian và thời gian, điện hóa, cơ học vật liệu... Nó giúp hình dung hóa các trường biến đổi (nhiệt độ, nồng độ, vận tốc) và hiểu rõ hơn các cơ chế diễn ra bên trong hệ thống mà khó có thể quan sát bằng thực nghiệm.

Dòng chất di chuyển trong ống được mô phỏng bằng phần mềm COMSOL

MATLAB: Là một môi trường tính toán số và lập trình linh hoạt. Kỹ sư hóa học sử dụng MATLAB để giải các phương trình vi phân (mô tả động học, thay đổi theo thời gian), phân tích dữ liệu, xây dựng các mô hình tùy chỉnh, và đặc biệt là liên kết với các phần mềm khác (như COMSOL thông qua LiveLink™ for MATLAB) để điều khiển mô phỏng hoặc xử lý kết quả.

Mô phỏng thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn

Các phần mềm mô phỏng quy trình (Process Simulation) như Aspen Plus, HYSYS: Tập trung vào mô phỏng toàn bộ nhà máy hoặc các đơn vị vận hành ở trạng thái ổn định hoặc động, tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, thiết kế và tối ưu hóa quy trình công nghệ ở quy mô lớn.

Mô phỏng cho phép kỹ sư kiểm tra các giả thuyết, khám phá nhiều kịch bản vận hành (kể cả những kịch bản nguy hiểm hoặc tốn kém nếu thử nghiệm thực tế), dự đoán hiệu suất, và hiểu sâu hơn về các yếu tố giới hạn của quy trình mà không cần tốn nhiều tài nguyên thực nghiệm.

Tối ưu hóa: Tìm kiếm giải pháp tốt nhất

Sau khi đã có mô hình (từ DOE hoặc mô phỏng) mô tả đủ tốt mối quan hệ giữa các biến đầu vào và kết quả đầu ra, bước tiếp theo là tối ưu hóa. Tối ưu hóa là quá trình tìm kiếm một tập hợp các giá trị cho các biến quyết định (decision variables - ví dụ: nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu...) sao cho một hoặc nhiều hàm mục tiêu (objective functions - ví dụ: tối đa hóa hiệu suất, tối thiểu hóa chi phí, tối thiểu hóa năng lượng tiêu thụ) đạt được giá trị tốt nhất (cực đại hoặc cực tiểu), trong khi vẫn thỏa mãn các ràng buộc (constraints - ví dụ: giới hạn về an toàn, môi trường, chất lượng sản phẩm, khả năng của thiết bị).

Các thuật toán tối ưu hóa thường được tích hợp sẵn trong các phần mềm. MATLAB (với Optimization Toolbox) là một công cụ rất mạnh để thực hiện tối ưu hóa, cho phép người dùng định nghĩa hàm mục tiêu, biến số, ràng buộc và lựa chọn thuật toán phù hợp. Khi mô hình phức tạp được xây dựng trong COMSOL, nó có thể được kết nối với MATLAB để thực hiện tối ưu hóa dựa trên kết quả mô phỏng.

Việc tích hợp Quy hoạch thực nghiệm, Tính toán mô phỏng và Tối ưu hóa, cùng với việc sử dụng thành thạo các phần mềm kỹ thuật như MATLAB, COMSOL... đang cách mạng hóa cách các kỹ sư hóa học tiếp cận và giải quyết vấn đề. Chúng cho phép đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển, cải thiện hiệu suất vận hành, giảm thiểu chi phí và rủi ro, đồng thời thúc đẩy sự đổi mới trong một lĩnh vực đòi hỏi sự chính xác và hiệu quả ngày càng cao. Nắm vững những công cụ này là chìa khóa để thành công trong ngành Công nghệ Hóa học hiện đại.

2.3. Hợp tác Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (Việt Nam)

Tổng hợp nano kim loại, graphene, chế tạo lớp phủ chống ăn mòn kim loại;
Chế tạo màng phản xạ sóng điện từ trên cơ sở polyme, graphene, nano Ni, Cu.
Chế tạo than cacbon xốp từ phế phẩm nông nghiệp đinh hướng ứng dụng trong tích trữ năng lượng
Xử lý rác thải nhựa thành nhiên liệu lỏng.

PROJECTS

Thư ký khoa học đề tài NAFOSTED 103.02-2019.361 (2020 - 2023): Nghiên cứu phát triển vi buồng cộng hưởng perovskite hai chiều cho vật lý polariton tại nhiệt độ phòng và các ứng dụng cao cấp tiềm năng.
Chủ trì đề tài TN.21.08 (2021 - 2022): Nghiên cứu tổng hợp, đánh giá cấu trúc và tính chất phát quang của vật liệu perovskite hai chiều 1,5-diaminonaphtalen chì halogenua.
Thành viên đề tài Sở KH-CN Hà Nội (2018 - 2020): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị làm sạch không khí ứng dụng công nghệ lọc ướt và xúc tác quang hóa TiO2 biến tính.
Thành viên đề tài Quỹ VLIR-UOS, Vương quốc Bỉ (2018 - 2019): An toàn thực phẩm vi sinh trong các căng-tin bệnh viện và Trường Đại học tại Hà Nội.
Thành viên đề tài Sở KH-CN Ninh Bình (2016 - 2018): Nghiên cứu phát triển công nghệ chuyển hóa phụ phẩm dứa thành khí sinh học biogas và sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ chất thải của quá trình trên.
Thành viên đề tài NAFOSTED (2014 - 2017): Research and manufacture high-performance filters by surface graft polymerization, applied in ultrafiltration and nano filtration.

PUBLICATIONS

Đỗ Đình Khải, Nguyễn Thị Thi, Trương Thanh Tú, Nguyễn Trần Thuật (2022), "Khảo sát điều kiện tổng hợp, đánh giá cấu trúc và khả năng phát quang của vật liệu perovskite lai cơ kim chì halogen hai chiều pha Dion-Jacobson chứa gốc diamin", Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học, 27(3), tr.97-101. https://vjol.info.vn/index.php/TCPTHLS/article/view/76364
Đỗ Đình Khải, Lý Văn Nam, Nguyễn Trần Thuật, Trương Thanh Tú (2021), "Phân tích cấu trúc và đánh giá tính chất phát quang của vật liệu perovskite lai cơ kim guanidinium chì iodua [C(CH2)3]PbI3", Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học, tr.185-191.
Ngô Hồng Ánh Thu, Đỗ Đình Khải, Nguyễn Thị Minh Thư, Đinh Thanh Tâm, Vũ Thị Huyền Trang, Nguyễn Thị Thu Hòa, Trần Thị Dung (2021), "Đánh giá khả năng xử lý màu phẩm nhuộm bằng phương pháp kết hợp keo tụ - xúc tác quang TiO2", Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học.
Khai Dinh Do et al. (2021), "Synthesis, structural analysis and luminescent characterization of 1,5-diaminonaphthalene based organic-inorganic hybrid lead iodide perovskites", The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology. https://iwamsn.ac.vn/proceedings-book-final/files/basic-html/page78.html
Thu Hong Anh Ngo, Chau Thi Minh Nguyen, Khai Dinh Do, Quan Xuan Duong, Nghia Hieu Tran, Hoan Thi Vuong Nguyen, Dung Thi Tran (2020), “Improvement of hydrophilicity for polyamide composite membrane by incorporating of graphene oxide - titanium dioxide nanoparticles”, Journal of Analytical Methods in Chemistry, Vol.2020. doi.org/10.1155/2020/6641225
Hoan Thi Vuong Nguyen, Thu Hong Anh Ngo, Khai Dinh Do, Minh Ngoc Nguyen, Nu Thi To Dang, Vien Vo, Tuan Anh Vu (2019), “Preparation and characterization of a hydrophilic polysulfone membrane based on graphene oxide”, Journal of Chemistry, Vol.2019. doi.org/10.1155/2019/3164373
Nguyen Ngoc Minh, Truong Cong Duc, Nguyen Ngoc Tue, Huynh Dang Chinh, Le Ha Giang, Vu Anh Tuan, Do Dinh Khai, Ngo Hong Anh Thu, Nguyen Thi Vuong Hoan (2019), "Enhancement of the removal of lead ion Pb2+ from water using modified polysulfone membrane", Vietnam Journal of Catalysis and Adsorption, 8(3), pp.67-71
Phạm Thị Lệ Trâm, Nguyễn Thị Thanh Kim Huệ, Nguyễn Ngọc Minh, Trương Công Đức, Trương Thanh Tâm, Nguyễn Ngọc Tuệ, Vũ Anh Tuấn, Đỗ Đình Khải, Ngô Hồng Ánh Thu, Nguyễn Thị Vương Hoàn (2019), “Xử lý ion Pb (II) trong dung dịch nước sử dụng màng lọc polisunfon biến tính”, Tạp chí Hóa học, 57 (4E1,2), tr.17-22
Dao Sy Duc, Ngo Van Hoanh, Trinh Xuan Dai, Ha Minh Ngoc, Dang Van Doan, Ngo Hong Anh Thu, Do Dinh Khai (2018), “Degradation of monoethanolamine by a heterogeneous fenton-like process using modified fly ash”, Vietnam Journal of Chemistry, Vol.56, No.6E1-2018, pp.81
Ngo Hong Anh Thu, Shinsuke Mori, Do Dinh Khai, Nguyen Thi Minh Chau, Tran Thi Dung (2018), “UV-induced grafting of poly (ethylene glycol) to modify polyamide thin film composite membrane surface”, Vietnam Journal of Chemistry, 56 (3E1,2), pp.370-377
Thu Hong Anh Ngo, Khai Dinh Do, Dung Thi Tran (2017), “Surface modification of polyamide TFC membranes via redox-initiated graft polymerization of acrylic acid”, Journal of Applied Polymer Science, pp.134. doi.org/10.1002/app.45110
Dao Sy Duc, Trinh Le Hung, Do Dinh Khai (2016), “Degradation of Reactive Blue 19 dye in aqueous solution using iron-modified fly ash”, International Journal of ChemTech Research, Vol.9, No.04 pp.533-538
Thu Hong Anh Ngo, Dung The Nguyen, Khai Dinh Do, Thu Thi Minh Nguyen, Shinsuke, Dung Thi Tran (2016), “Surface modification of polyamide thin film composite membrane by coating of titanium dioxide nanoparticles”, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1, pp.468-475. doi.org/10.1016/j.jsamd.2016.10.002
Ngo Hong Anh Thu, Do Dinh Khai, Tran Thi Dung (2016), “Redox-initiated Graft Polymerization of Maleic Acid onto Polyamide Thin Film Composite Membrane Surface”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, 32 (1S), pp.273-279
Ngo Hong Anh Thu, Do Dinh Khai, Tran Thi Dung (2015), “Determination of separation characteristics of BW30 polyamide membrane modified by photochemical grafiting polymerization”, Vietnam Science and Technology Review, 1(4), pp.12-17
Do Dinh Khai (2013), “Programming for predicting heat transfer and controlling temperature of a continuous stirred tank reactor”, Master thesis, VNU University of Science, Hanoi

EDUCATION

2020 : PhD Student in VNU University of Science - Vietnam National University, Hanoi
2017 : Short training in Osaka City University, Japan
2016 : Short training in Manchester, United Kingdom
2008 - 2010 : Master in Technical Chemistry in Hanoi University of Science
2004 - 2008 : Bachelor in Chemical Engineering in Hanoi University of Science

WORK EXPERIENCE AND POSITIONS

2011 to now - Researcher at Department of Chemical Technology, Faculty of Chemistry, VNU University of Science, Hanoi
2013 to now - Assistant of Political-Students Affairs
2011 to 2016 - Secretary of HoChiMinh Communist Youth Union of the Faculty of Chemistry.
Machine: TOF-SIMS, TOC
Software: Matlab, Hysys, Comsol, Modde, OriginPro, Latex, Microsoft Office
Others: Design and Code

AWARDS

Merits on Ho Chi Minh Communist Youth Union in 2013 - 2016
Merits on Party Committee Secretary of the University in 2011 - 2016

MSc. Do Dinh Khai

Tin mới nhất

Tin liên quan

Về chúng tôi

Đào tạo

Nghiên cứu khoa học