Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật liệu bán dẫn nano kẽm oxit (zinc oxide - $\text{ZnO}$) là đối tượng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực quang hóa và xử lý môi trường nhờ sở hữu độ rộng vùng cấm lớn ($3{,}37\text{ eV}$ ở nhiệt độ phòng), độ ổn định nhiệt cao và khả năng quang xúc tác dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại (UV). Tại Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano $\text{ZnO}$ vẫn còn hạn chế so với thế giới. Trong số các phương pháp điều chế vật liệu nano vô cơ, phương pháp kết tủa sử dụng tác nhân kiềm ($\text{NaOH}$) được ứng dụng phổ biến nhờ ưu điểm quy trình đơn giản, chi phí thấp và dễ kiểm soát điều kiện thí nghiệm.

Tuy nhiên, việc sử dụng các loại muối tiền chất khác nhau trong cùng một phương pháp kết tủa tạo ra sự biến đổi rõ rệt về kích thước hạt, độ tinh khiết pha, hình thái bề mặt và khả năng quang xúc tác của vật liệu $\text{ZnO}$ thành phẩm. Các công trình công bố trước đây phần lớn tập trung vào từng loại tiền chất riêng lẻ mà chưa có sự khảo sát, so sánh một cách hệ thống và đồng bộ về tác động của các anion tiền chất đến hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn, đặc trưng cấu trúc pha và hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ.

Đề tài "Tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano $\text{ZnO}$" do tác giả Phạm Minh Diễn thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng hợp vật liệu $\text{ZnO}$ từ 3 dòng muối tiền chất gồm zinc acetate dihydrate ($\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$), zinc nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$) và zinc chloride ($\text{ZnCl}_2$) bằng phương pháp kết tủa kết hợp hỗ trợ sóng siêu âm tại 3 mốc nhiệt độ tạo kết tủa ($30^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$, $80^\circ\text{C}$).
  2. Phân tích đặc trưng cấu trúc tinh thể, thành phần pha, hình thái học và kích thước hạt của các mẫu sản phẩm thu được thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  3. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các mẫu $\text{ZnO}$ trong phản ứng phân hủy chất màu hữu cơ methylene blue (MB) dưới bức xạ UV-A, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu, dung lượng xúc tác và sự ổn định của hàm lượng oxy hòa tan ($\text{DO}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu oxit kim loại bán dẫn nano $\text{ZnO}$ chế tạo từ ba loại tiền chất muối kẽm và phản ứng phân hủy quang xúc tác chất màu methylene blue ($\text{C}{16}\text{H}{18}\text{ClN}_3\text{S}\cdot 3\text{H}_2\text{O}$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát tại 3 mốc nhiệt độ kết tủa ($30^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$, $80^\circ\text{C}$); nhiệt độ sấy khô $90^\circ\text{C}$ trong 2 giờ; nhiệt độ nung pha tinh thể $300^\circ\text{C}$ trong 2 giờ; dải nồng độ chất màu MB từ $8\text{ }\mu\text{M}$ đến $25\text{ }\mu\text{M}$; nguồn bức xạ UV-A bước sóng $360\text{ nm}$ công suất $15\text{W}$. Đề tài được hoàn thành tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 5 năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình phản ứng

Vật liệu $\text{ZnO}$ kết tinh ở 3 dạng cấu trúc: hexagonal wurtzite, zinc blende và rocksalt. Ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, cấu trúc hexagonal wurtzite (nhóm không gian $P6_3mc$) có độ bền nhiệt động học cao nhất, với hằng số mạng $a = 3{,}25\text{ \AA}$, $c = 5{,}20\text{ \AA}$. Liên kết trong mạng tinh thể mang đặc tính hỗn hợp giữa ion và cộng hóa trị.

Cơ chế quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ của chất bán dẫn $\text{ZnO}$ diễn ra khi vật liệu hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm ($h\nu \ge E_g$). Quá trình kích thích làm chuyển electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các electron quang sinh ($e^-{\text{CB}}$) và lỗ trống quang sinh ($h^+{\text{VB}}$): $$\text{ZnO} + h\nu \longrightarrow e^-{\text{CB}} + h^+{\text{VB}}$$

Các hạt mang điện tương tác với các phân tử hấp phụ trên bề mặt để sinh ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh:

  • $h^+_{\text{VB}} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{HO}^\bullet + \text{H}^+$
  • $e^-_{\text{CB}} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{}^\bullet\text{O}_2^-$
  • $2\text{ }^\bullet\text{O}_2^- + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_2\text{O}_2 + 2\text{HO}^\bullet + \text{O}_2$
  • $\text{H}_2\text{O}2 + e^-{\text{CB}} \longrightarrow \text{HO}^\bullet + \text{HO}^-$

Gốc tự do $\text{HO}^\bullet$ oxy hóa không chọn lọc các phân tử hữu cơ $R$ thành các hợp chất trung gian và khoáng hóa hoàn toàn thành acid vô cơ, $\text{CO}2$ và $\text{H}2\text{O}$. Quá trình tái hợp giữa $e^-{\text{CB}}$ và $h^+{\text{VB}}$ kèm tỏa nhiệt hoặc phát quang là nguyên nhân chính làm suy giảm hiệu suất xúc tác.

Phép đo định lượng nồng độ chất màu dựa trên Định luật Bouguer – Lambert – Beer: $A = \varepsilon \cdot l \cdot C$, với cực đại hấp thụ của methylene blue tại bước sóng $\lambda_{\max} = 668\text{ nm}$. Hiệu suất chuyển hóa chất màu ($H%$) và dung lượng xúc tác được xác định bằng công thức: $$H% = \frac{A_0 - A_t}{A_0} \times 100%$$ $$\text{Dung lượng xúc tác} = \frac{m_{\text{ZnO}}}{m_{\text{MB}}}\text{ (mg/mg)}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tổng hợp hóa học: Quy trình kết tủa có hỗ trợ của sóng siêu âm ($35\text{ kHz}$, máy SONOREX SUPER). Nhỏ từ từ dung dịch $\text{NaOH } 0{,}2\text{M}$ vào dung dịch muối tiền chất $\text{Zn}^{2+}\text{ } 0{,}1\text{M}$, khuấy trộn và phát siêu âm liên tục trong 3 giờ ở nhiệt độ xác định ($30^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$, $80^\circ\text{C}$). Kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$ được lọc rửa, sấy khô ở $90^\circ\text{C}$ trong 2 giờ và nung chuyển pha thành $\text{ZnO}$ ở $300^\circ\text{C}$ trong 2 giờ.
  • Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): Đo trên thiết bị D800 BRUKER với bức xạ $\text{Cu } K_\alpha$ ($\lambda = 0{,}15406\text{ nm}$), quét góc $2\theta$ từ $20^\circ$ đến $80^\circ$. Kích thước tinh thể ($\Phi$) được tính theo phương trình Scherrer: $$\Phi = \frac{k\lambda}{\beta \cos\theta}$$ (với $k = 0{,}89$, $\beta$ là độ rộng tại nửa chiều cao cực đại của peak đặc trưng pha zincite tại $2\theta = 36{,}2^\circ$).
  • Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM): Khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt trên thiết bị HITACHI S-4800.
  • Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Đo mật độ quang $A$ của dung dịch MB tại bước sóng $668\text{ nm}$ trên máy LASANY LI-295 (cuvet thạch anh dày $1\text{ cm}$).
  • Phương pháp kiểm soát nồng độ oxy hòa tan: Sử dụng máy đo DO BANTE 900P để theo dõi lượng oxy hòa tan trong dung dịch phản ứng sau 10 phút chiếu xạ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu nano $\text{ZnO}$, các phương pháp tổng hợp vô cơ và cơ chế quang hóa:

  • Cấu trúc tinh thể $\text{ZnO}$: Trình bày chi tiết đặc điểm mạng wurtzite lục giác, sự phối trí tứ diện giữa các nguyên tử $\text{Zn}$ và $\text{O}$, mức độ chiếm không gian mạng tinh thể đạt $74{,}05%$.
  • Tổng quan các phương pháp điều chế: So sánh ưu và nhược điểm của phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel và phương pháp thủy nhiệt. Phân tích tác động của các tạp chất trung gian và sự tồn dư anion tiền chất làm biến đổi kích thước tinh thể và ức chế hoạt tính quang xúc tác theo các công bố quốc tế.
  • Cơ chế quang xúc tác: Mô tả chi tiết 6 giai đoạn chuyển khối và phản ứng của xúc tác dị thể; phân tích vai trò quyết định của các gốc tự do $\text{HO}^\bullet$, $^\bullet\text{O}_2^-$ và hydrogen peroxide $\text{H}_2\text{O}_2$ trong việc bẻ gãy cấu trúc mạch hữu cơ.

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình công nghệ, hóa chất và hệ thống đo đạc thực nghiệm:

  • Hóa chất và thiết bị: Sử dụng các muối kẽm độ tinh khiết phân tích, $\text{NaOH}$, chất màu methylene blue ($\text{C}{16}\text{H}{18}\text{ClN}_3\text{S}\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, phân tử lượng $373{,}9\text{ g/mol}$) và hệ thiết bị siêu âm, máy khuấy từ, máy ly tâm, máy đo DO, buồng chiếu xạ đèn UV huỳnh quang $15\text{W}$ (đỉnh bức xạ $360\text{ nm}$).
  • Quy trình tổng hợp 9 mẫu vật liệu:
    • Mẫu từ tiền chất zinc acetate: ZA30, ZA50, ZA80.
    • Mẫu từ tiền chất zinc nitrate: ZN30, ZN50, ZN80.
    • Mẫu từ tiền chất zinc chloride: ZC30, ZC50, ZC80.
  • Quy trình khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Phân tán $40\text{ mg}$ bột $\text{ZnO}$ vào $200\text{ ml}$ dung dịch MB, khuấy trong tối để bão hòa quá trình hấp phụ - giải hấp, sau đó chiếu xạ UV-A cách mặt thoáng $10\text{ cm}$. Pha rắn được tách bằng ly tâm tốc độ $5000\text{ vòng/phút}$ trước khi đo trắc quang.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 phân tích số liệu thực nghiệm và giải thích cơ chế tương tác theo 4 nhóm nội dung:

  • Nhóm mẫu Zinc acetate (ZA): Giản đồ XRD của các mẫu ZA30, ZA50, ZA80 trùng khớp hoàn toàn với cấu trúc zincite chuẩn (JCPDS No. 00-036-1451), đường nền phẳng, không xuất hiện pha lạ, kích thước tinh thể nằm trong khoảng $39{,}55 - 42{,}42\text{ nm}$. Hiệu suất thu hồi bột rắn tương đối thấp do dung dịch ban đầu có $\text{pH} = 6$, khi nhỏ $\text{NaOH}$ dễ xảy ra hiện tượng kiềm cục bộ làm hòa tan một phần kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$. Mẫu ZA80 đạt hiệu suất phân hủy MB cao nhất trong nhóm là $47{,}78%$.
  • Nhóm mẫu Zinc nitrate (ZN): Các mẫu ZN30, ZN50, ZN80 đều đạt độ tinh khiết đơn pha zincite cao, kích thước tinh thể nhỏ nhất, dao động từ $29{,}01\text{ nm}$ đến $30{,}00\text{ nm}$. Hiệu suất thu hồi bột rắn cao hơn nhóm ZA do dung dịch tiền chất có tính acid ban đầu ($\text{pH} = 3$), hạn chế tình trạng quá kiềm cục bộ. Mẫu ZN80 đạt hiệu suất chuyển hóa MB cao nhất đạt $63{,}56%$ ở dung lượng xúc tác $50\text{ mg/mg}$. Anion $\text{NO}_3^-$ có tác dụng làm giảm tính di động ranh giới hạt và giảm khuếch tán khối khi nung, giúp duy trì kích thước hạt mịn.
  • Nhóm mẫu Zinc chloride (ZC): Hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn cao nhất nhưng giản đồ XRD cho thấy sự tồn tại của pha tạp chất simonkolleite ($\text{Zn}_5(\text{OH})_8\text{Cl}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$, JCPDS No. 00-007-0155). Nhiệt độ nung $300^\circ\text{C}$ chưa đủ để nhiệt phân hoàn toàn hợp chất trung gian này thành $\text{ZnO}$. Hoạt tính quang xúc tác của nhóm ZC rất thấp, mẫu ZC80 chỉ đạt hiệu suất chuyển hóa MB tối đa $28{,}04%$. Nguyên nhân do pha tạp bao phủ bề mặt và ion $\text{Cl}^-$ hoạt động như một chất "tìm diệt" gốc tự do $\text{HO}^\bullet$ theo phản ứng: $\text{HO}^\bullet + \text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}^\bullet + \text{OH}^-$.
  • So sánh tổng hợp các mẫu ZX80 ($X = \text{A, N, C}$): Kết quả SEM chỉ ra rằng mẫu ZA80 có dạng hạt lục giác rõ rệt kích thước khoảng $200\text{ nm}$, mẫu ZN80 có dạng hạt nano kích thước tương đương với đường biên rõ ràng, còn mẫu ZC80 bị kết tụ mạnh và không quan sát được biên hạt. Thứ tự hoạt tính quang xúc tác tại cùng mức dung lượng xúc tác $52\text{ mg/mg}$ là: $\text{ZC80 } (28{,}04%) < \text{ZA80 } (47{,}78%) < \text{ZN80 } (63{,}56%)$.
Mẫu vật liệu Tiền chất sử dụng Nhiệt độ tạo kết tủa Thành phần pha tinh thể (XRD) Kích thước tinh thể $\Phi$ Hình thái hạt (SEM) Hiệu suất chuyển hóa MB ($52\text{ mg/mg}$)
ZA80 Zinc acetate $80^\circ\text{C}$ Đơn pha Zincite $42{,}42\text{ nm}$ Hạt lục giác, biên rõ ($\sim 200\text{ nm}$) $47{,}78%$
ZN80 Zinc nitrate $80^\circ\text{C}$ Đơn pha Zincite $29{,}50\text{ nm}$ Hạt nano đều, biên rõ ($\sim 200\text{ nm}$) $63{,}56%$
ZC80 Zinc chloride $80^\circ\text{C}$ Zincite + Simonkolleite $37{,}00\text{ nm}$ Kết tụ khối lớn, biên không rõ $28{,}04%$

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết các kết luận thực nghiệm chính về tính ưu việt của tiền chất zinc nitrate và đề xuất 3 định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Xác định ảnh hưởng của anion tiền chất đến cấu trúc pha và độ tinh khiết: Tiền chất zinc acetate và zinc nitrate tạo ra sản phẩm $\text{ZnO}$ đơn pha zincite có độ tinh khiết cao ở nhiệt độ nung $300^\circ\text{C}$. Tiền chất zinc chloride tạo ra hỗn hợp pha chứa tạp chất simonkolleite $\text{Zn}_5(\text{OH})_8\text{Cl}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$ bền nhiệt, không bị phân hủy hoàn toàn ở $300^\circ\text{C}$.
  2. Kích thước tinh thể và hình thái học bề mặt: Kích thước tinh thể $\text{ZnO}$ phụ thuộc chặt chẽ vào bản chất anion: mẫu từ zinc nitrate có kích thước nhỏ nhất ($29{,}01 - 30{,}00\text{ nm}$), mẫu từ zinc acetate đạt $39{,}55 - 42{,}42\text{ nm}$, mẫu từ zinc chloride đạt $29{,}54 - 37{,}00\text{ nm}$. Ảnh SEM xác nhận mẫu ZN80 và ZA80 có độ đồng đều cao, biên hạt rõ ràng với kích thước hạt trung bình khoảng $200\text{ nm}$.
  3. Hiệu năng quang xúc tác: Trong cùng điều kiện dung lượng xúc tác $52\text{ mg/mg}$ và kiểm soát nồng độ oxy hòa tan $\text{DO}$ ổn định ($6{,}82 - 6{,}85\text{ }\mu\text{g/ml}$), mẫu ZN80 thể hiện hoạt tính xúc tác cao nhất với hiệu suất chuyển hóa MB đạt $63{,}56%$, vượt trội hơn mẫu ZA80 ($47{,}78%$) và ZC80 ($28{,}04%$).

Giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật

  • Lựa chọn tiền chất: Đề xuất ưu tiên sử dụng muối zinc nitrate hexahydrate trong các quy trình tổng hợp nano $\text{ZnO}$ bằng phương pháp kết tủa nhằm đạt độ tinh khiết cao, kích thước tinh thể nhỏ và hoạt tính quang hóa tối ưu.
  • Cảnh báo về tiền chất chloride: Khi sử dụng zinc chloride, cần nâng cao nhiệt độ nung và kéo dài thời gian ủ nhiệt vượt mức $300^\circ\text{C}$ để phân hủy triệt để muối bazơ simonkolleite, đồng thời phải thực hiện quy trình rửa kết tủa nghiêm ngặt nhằm loại bỏ ion $\text{Cl}^-$ gây ức chế gốc tự do $\text{HO}^\bullet$.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có tính hệ thống và giải thích bản chất hóa lý về ảnh hưởng của ba loại anion phổ biến ($\text{CH}_3\text{COO}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{Cl}^-$) đến động học hình thành kết tủa, hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn và cơ chế ức chế phản ứng quang xúc tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ giới hạn khảo sát 3 loại muối tiền chất tan thông dụng; chế độ nhiệt nung cố định ở $300^\circ\text{C}$ trong 2 giờ chưa làm rõ ngưỡng nhiệt độ phân hủy hoàn toàn của pha trung gian simonkolleite đối với tiền chất zinc chloride.
  • Chưa tiến hành đo đạc diện tích bề mặt riêng (BET) và chưa khảo sát ảnh hưởng của các dải $\text{pH}$ môi trường phản ứng quang hóa cũng như khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác qua nhiều chu kỳ.

Hướng phát triển tiếp theo (theo đề xuất của tác giả)

  1. Nghiên cứu, khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano $\text{ZnO}$ trên các dòng tiền chất vô cơ khác như zinc sulfate ($\text{ZnSO}_4$) và zinc sulfide ($\text{ZnS}$).
  2. Nghiên cứu, khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ tổng hợp (thời gian siêu âm, tốc độ khuấy, nồng độ tác nhân kiềm) đến kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của vật liệu $\text{ZnO}$.
  3. Nghiên cứu, khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường thực hiện phản ứng xúc tác ($\text{pH}$ dung dịch, hàm lượng chất xúc tác, nồng độ chất màu ban đầu) đến hiệu suất phân hủy quang xúc tác của vật liệu $\text{ZnO}$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa lý và Khoa học vật liệu: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về việc kết hợp sóng siêu âm trong phản ứng kết tủa dung dịch để tổng hợp oxit kim loại kích thước nano ở nhiệt độ thấp.
  • Nghiên cứu viên lĩnh vực công nghệ môi trường: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực trong việc thiết lập hệ phản ứng quang xúc tác pha lỏng, kiểm soát các biến số ngoại cảnh (hàm lượng oxy hòa tan $\text{DO}$, bão hòa hấp phụ trong tối, kỹ thuật ly tâm tách pha rắn để đo quang phổ UV-Vis).
  • Phần đáng tham khảo nhất: Mục 3.4 (Chương 3) phân tích cơ chế cạnh tranh hấp phụ và phản ứng dập tắt gốc tự do $\text{HO}^\bullet$ của ion chloride, đóng vai trò là tài liệu đối chứng quan trọng cho các nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác dị thể.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền chất nào cho hoạt tính quang xúc tác tốt nhất và nguyên nhân là gì?
Tiền chất zinc nitrate ($\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$) cho hoạt tính quang xúc tác tốt nhất. Mẫu ZN80 đạt hiệu suất chuyển hóa MB cao nhất ($63{,}56%$). Nguyên nhân là do mẫu có độ tinh khiết pha cao (đơn pha zincite), kích thước tinh thể nhỏ nhất ($\sim 29{,}50\text{ nm}$), diện tích tiếp xúc lớn và anion nitrate hỗ trợ làm giảm tính di động ranh giới hạt trong quá trình nung.

2. Tại sao mẫu $\text{ZnO}$ điều chế từ zinc chloride lại có hiệu suất quang xúc tác thấp nhất?
Mẫu ZC80 chỉ đạt hiệu suất chuyển hóa $28{,}04%$ do hai nguyên nhân chính: sản phẩm bị lẫn tạp chất simonkolleite ($\text{Zn}_5(\text{OH})_8\text{Cl}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$) làm ô nhiễm và cạnh tranh tâm hấp phụ bề mặt; đồng thời các ion $\text{Cl}^-$ còn sót lại hoạt động như chất tiêu diệt gốc tự do $\text{HO}^\bullet$ qua phản ứng $\text{HO}^\bullet + \text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}^\bullet + \text{OH}^-$, làm triệt tiêu tác nhân oxy hóa chính.

3. Quy trình nung xử lý nhiệt trong nghiên cứu được thực hiện ở điều kiện nào?
Sau khi được tạo kết tủa có hỗ trợ siêu âm ở $30^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$ hoặc $80^\circ\text{C}$ trong 3 giờ, kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$ được lọc rửa, sấy khô ở $90^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, nghiền mịn rồi nung chuyển pha thành $\text{ZnO}$ ở nhiệt độ $300^\circ\text{C}$ và ủ nhiệt trong 2 giờ.

4. Tại sao hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn từ tiền chất zinc acetate lại thấp hơn zinc nitrate?
Dung dịch zinc acetate ban đầu có $\text{pH} = 6$. Khi nhỏ $\text{NaOH}$, dù có khuấy trộn và phát siêu âm vẫn xảy ra hiện tượng quá kiềm cục bộ làm hòa tan lại kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$ mới sinh. Ngược lại, dung dịch zinc nitrate có tính acid ban đầu ($\text{pH} = 3$), giúp trung hòa nhanh và giảm thiểu hiện tượng kiềm cục bộ, do đó hiệu suất tạo và thu hồi kết tủa cao hơn.

5. Hàm lượng oxy hòa tan ($\text{DO}$) có vai trò gì và được kiểm soát ở mức nào trong phản ứng quang xúc tác?
Oxy hòa tan đóng vai trò là chất nhận electron ($e^-_{\text{CB}}$) để tạo ra các gốc tự do hoạt tính $^\bullet\text{O}_2^-$ và $\text{H}_2\text{O}_2$, ngăn chặn sự tái hợp electron - lỗ trống. Trong tất cả các thí nghiệm đo quang xúc tác, chỉ số $\text{DO}$ đều được kiểm soát và duy trì ổn định trong khoảng $6{,}82 - 6{,}97\text{ }\mu\text{g/ml}$ để đảm bảo tính chuẩn hóa và tương đương về điều kiện phản ứng.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Phạm Minh Diễn đã tổng hợp thành công vật liệu nano $\text{ZnO}$ cấu trúc wurtzite từ ba tiền chất muối kẽm bằng phương pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau. Kết quả thực nghiệm khẳng định zinc nitrate là tiền chất tối ưu nhất, tạo ra vật liệu $\text{ZnO}$ có độ tinh khiết cao, kích thước tinh thể nhỏ ($\sim 29\text{ nm}$) và hiệu suất phân hủy chất màu methylene blue đạt $63{,}56%$. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có hệ thống, làm sáng tỏ cơ chế ảnh hưởng của các anion tiền chất đến quá trình kết tinh và hoạt tính quang hóa của vật liệu nano $\text{ZnO}$.