Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do nước thải sinh hoạt và chất thải công nghiệp đang là vấn đề cấp bách tại Việt Nam cũng như trên toàn thế giới. Quá trình phát triển các khu công nghiệp, đặc biệt là các ngành dệt may, nhuộm và sản xuất giấy, phát sinh lượng lớn hóa chất độc hại và kim loại nặng đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Thống kê thực tiễn cho thấy sản lượng phẩm màu tổng hợp toàn cầu đạt khoảng 800.000 tấn mỗi năm, trong đó lượng thất thoát ra môi trường chiếm khoảng 10–15%. Hầu hết các loại thuốc nhuộm này có cấu trúc phân tử bền vững, không có khả năng tự phân hủy sinh học và tiềm ẩn nguy cơ gây ung thư.

Các phương pháp xử lý truyền thống hiện nay bộc lộ nhiều rào cản kỹ thuật và kinh tế:

  • Phương pháp sinh học bị suy giảm hiệu quả do độc tính của phẩm màu gây ức chế vi sinh vật phân hủy.
  • Phương pháp keo tụ – tạo bông hay lắng lọc khó đáp ứng yêu cầu tuần hoàn nước vì nồng độ phẩm màu dư thừa cao gây tắc nghẽn và hư hại màng lọc thẩm thấu ngược (RO).
  • Các kỹ thuật lọc màng, hấp phụ hay oxy hóa bậc cao khác thường có chi phí vận hành lớn và phát sinh bùn thải hoặc sản phẩm phụ độc hại thứ cấp.

Trong bối cảnh đó, công nghệ quang xúc tác dị thể sử dụng chất bán dẫn nổi lên như một giải pháp công nghệ xanh, vận hành bền vững nhờ khả năng khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ độc hại thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ dưới ánh sáng mà không làm biến đổi cấu trúc chất xúc tác. Bismuth oxychloride ($\text{BiOCl}$) là vật liệu bán dẫn sở hữu cấu trúc tinh thể phân lớp đặc thù và khả năng oxy hóa khử mạnh. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của $\text{BiOCl}$ khối truyền thống còn hạn chế do diện tích bề mặt riêng thấp và sự tái tổ hợp của các cặp electron – lỗ trống. Để khắc phục nhược điểm này, việc sử dụng các quả cầu nano polystyrene ($\text{NPS}$) làm khuôn cứng (hard template) nhằm định hình cấu trúc rỗng, tạo mao quản trung bình (mesoporous) cho $\text{BiOCl}$ là hướng tiếp cận cần được khảo sát thực nghiệm cụ thể.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Đề xuất quy trình tổng hợp vật liệu $\text{BiOCl}$ phát triển trên khuôn $\text{NPS}$, ứng dụng $\text{NPS}$ làm khuôn cứng để tạo cấu trúc rỗng cho $\text{BiOCl}$.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm khối lượng $\text{NPS}$ đưa vào tổng hợp đến đặc trưng cấu trúc, diện tích bề mặt, khả năng hấp phụ và hiệu tính quang xúc tác của $\text{BiOCl}$ dưới điều kiện chiếu sáng so với $\text{BiOCl}$ không dùng khuôn.
  3. Ứng dụng vật liệu chế tạo được vào quy trình xử lý chất màu hữu cơ mô phỏng, hướng tới tối ưu hóa thời gian, chi phí xử lý và bảo vệ nguồn nước.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là vật liệu bán dẫn $\text{BiOCl}$ thuần và hệ vật liệu $\text{BiOCl}$ cấu trúc rỗng chế tạo theo khuôn $\text{NPS}$ với các tỷ lệ khối lượng khác nhau. Phạm vi khảo sát tập trung vào phản ứng phân hủy quang phẩm màu Rhodamine B ($\text{RhB}$) ở nồng độ 10 mg/L dưới nguồn bức xạ đèn LED công suất 50 W trong thời gian 30 phút (sau 30 phút cân bằng hấp phụ trong tối). Đề tài được thực hiện tại Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, phối hợp phân tích đo đạc tại các phòng thí nghiệm chuyên sâu (SHTP Labs, Viện Công nghệ Nano, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM, Trường ĐH Tài chính – Marketing và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) vào tháng 8 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết quang xúc tác bán dẫn: khi năng lượng photon ($h\nu$) lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($E_g$), các electron ($e^-$) từ vùng hóa trị (VB) bị kích thích nhảy lên vùng dẫn (CB), để lại các lỗ trống ($h^+$) ở vùng hóa trị: $$\text{Semiconductor} + h\nu \rightarrow h^+(\text{VB}) + e^-(\text{CB})$$ Lỗ trống $h^+$ oxy hóa nước tạo thành gốc tự do hydroxyl ($\cdot\text{OH}$): $$h^+(\text{VB}) + \text{H}_2\text{O} \rightarrow h^+ + \cdot\text{OH}$$ Electron $e^-$ ở vùng dẫn khử oxy hòa tan tạo thành gốc superoxide ($\cdot\text{O}_2^-$): $$e^-(\text{CB}) + \text{O}_2 \rightarrow \cdot\text{O}_2^-$$ Các phản ứng thứ cấp tiếp tục chuyển hóa thành $\text{H}_2\text{O}_2$, sinh thêm gốc $\cdot\text{OH}$ để phá vỡ liên kết của các chất ô nhiễm hữu cơ thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.

Vật liệu $\text{BiOCl}$ thuộc nhóm chất bán dẫn tam nguyên hệ V-VI-VII, kết tinh ở cấu trúc tứ giác kiểu $\text{PbFX}$, nhóm không gian $P4/nmm$. Đơn vị cấu trúc gồm mạng phẳng $[\text{Cl}-\text{Bi}-\text{O}-\text{Bi}-\text{Cl}]$ phân lớp liên kết với nhau bằng lực van der Waals yếu qua các nguyên tử clo. Cấu trúc kim tự tháp cụt bất đối xứng $[\text{BiO}_4\text{Cl}_4]$ tạo ra điện trường phân cực nội tại mạnh, giúp tách các cặp electron – lỗ trống hiệu quả. $\text{BiOCl}$ là chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp với mức năng lượng lý thuyết khoảng 3,37 eV.

Polymer polystyrene ($\text{PS}$) có khối lượng mol mắt xích 104,1 g/mol, tồn tại ở các dạng cấu trúc lập thể atactic, syndiotactic và isotactic. $\text{PS}$ có nhiệt độ bắt cháy khoảng 173°C và nhiệt độ phân hủy nhiệt khoảng 330°C. Trong nghiên cứu này, các hạt nano polystyrene đóng vai trò khuôn cứng hình cầu, giúp hình thành khung mao quản trung bình và tăng diện tích tiếp xúc xúc tác sau khi được rửa hòa tan chọn lọc bằng dung môi hữu cơ.

Các mô hình toán học và công thức tính toán được áp dụng gồm:

  • Định luật Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$) và phương trình Scherrer xác định kích thước tinh thể: $$D = \frac{K\lambda}{\beta\cos\theta}$$
  • Phương trình Stokes – Einstein trong phân tích tán xạ ánh sáng động (DLS): $$D = \frac{K_B T}{6\pi\eta R}$$
  • Phương trình đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET) để tính toán diện tích bề mặt riêng ($SSA$), thể tích và kích thước mao quản: $$\frac{P}{V(P_0 - P)} = \frac{1}{C V_m} + \frac{C - 1}{C V_m}\left(\frac{P}{P_0}\right)$$
  • Định luật Lambert – Beer ($A = \varepsilon b c$) dùng trong đo quang phổ UV-Vis.
  • Phương trình Tauc xác định năng lượng vùng cấm quang học ($E_g$) từ phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis DRS: $$\alpha h\nu = C_1 (h\nu - E_g)^n$$
  • Mô hình động học biểu kiến bậc hai (pseudo-second-order) đánh giá quá trình hấp phụ chất màu trong pha tối.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Tổng hợp khuôn nano polystyrene (NPS): Thực hiện bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương bán tự do (quasi-emulsifier-free emulsion polymerization). Quy trình dùng monomer styrene ($\text{C}_8\text{H}_8$), chất hoạt động bề mặt sodium dodecylsulfate ($\text{SDS}$) dưới nồng độ micelle tới hạn (CMC) và chất khơi mào potassium persulfate ($\text{KPS}$) ở 70°C dưới dòng khí nitơ bảo vệ.
  • Tổng hợp $\text{BiOCl}$ thuần: Ứng dụng phương pháp sol-gel từ tiền chất bismuth nitrate pentahydrate ($\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$), dung môi ethylene glycol – nước ($\text{EG}-\text{H}_2\text{O}$), thiourea, $\text{KCl}$ và xúc tác acetic acid ($\text{HAc}$) 2%.
  • Tổng hợp $\text{BiOCl}$ cấu trúc rỗng mao quản trung bình: Ứng dụng kỹ thuật khuôn cứng. Hạt $\text{NPS}$ được đưa vào hệ phản ứng sol-gel với các hàm lượng 10%, 30%, 50%, 70% và 90% theo phần trăm khối lượng. Khuôn $\text{PS}$ sau đó được loại bỏ hoàn toàn bằng phương pháp ly tâm và rửa nhiều lần bằng dung môi chloroform ($\text{CHCl}_3$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu và tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương này phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về biến tính vật liệu quang xúc tác bán dẫn:

  • Trên thế giới: Các hướng phát triển hạt nano $\text{TiO}_2$ phân hủy Methyl Red, Methylene Blue; kỹ thuật pha tạp phi kim (B, C, N, F) và ăn mòn acid tạo diện tích bề mặt lớn; chế tạo quả cầu nano rỗng $\text{ZnO}$ bằng khuôn vi cầu $\text{PS}$; pha tạp flo vào $\text{BiOCl}$ theo phương pháp thủy nhiệt với tỷ lệ mol 3:4; cấu trúc dị thể $\text{Cd}/\text{CdS}/\text{BiOCl}$ đạt hiệu suất quang hóa phân hủy phẩm màu đến 90%.
  • Tại Việt Nam: Các công trình tiêu biểu như vật liệu composite $\text{Fe}_2\text{O}_3-\text{TiO}_2/\text{GA}$ thủy nhiệt phân hủy 97% MB (Nguyễn Hữu Hiếu); $\text{TiO}_2$ đồng pha tạp C-N-S từ quặng ilmenite (Nguyễn Thị Lan); $\text{g-C}_3\text{N}_4$ pha tạp Ag xử lý nước thải y tế đạt hiệu suất 97% (Nguyễn Lê Minh Trị); vật liệu $\text{Ag}/\text{TNTs}$ chế tạo bằng phương pháp khử quang hóa kháng khuẩn trên 99% (Phạm Văn Việt).
  • Tác giả xác lập rõ tính cấp thiết của đề tài và đề ra hệ thống 3 mục tiêu cùng phạm vi nghiên cứu cụ thể.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nguyên lý khoa học và phương pháp đánh giá:

  • Bản chất và cơ chế phản ứng quang xúc tác bán dẫn, chuỗi phương trình sinh gốc tự do oxy hóa mạnh ($\cdot\text{OH}, \cdot\text{O}_2^-$).
  • Cấu trúc tinh thể, các thông số mạng và vùng cấm quang học gián tiếp 3,37 eV của $\text{BiOCl}$.
  • Cấu tạo hóa học, đặc tính nhiệt, cơ lý của polystyrene; phân loại các kỹ thuật trùng hợp polymer (khối, dung dịch, huyền phù, nhũ tương và nhũ tương bán tự do); cơ chế tạo cấu trúc mao quản trung bình bằng phương pháp khuôn cứng polymer.
  • Nền tảng lý thuyết của 7 phép phân tích công cụ: FTIR (vùng hồng ngoại giữa $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$), FE-SEM, DLS, XRD, BET (phân loại 6 dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ theo IUPAC), UV-Vis và UV-Vis DRS.

Chương 3: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết danh mục hóa chất, thông số thiết bị và quy trình chế tạo:

  • Hóa chất sử dụng gồm 12 loại: styrene, $\text{SDS}$, $\text{KPS}$, thiourea, $\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$, $\text{HAc}$, $\text{KCl}$, ethylene glycol, Rhodamine B, chloroform, toluene, ethanol.
  • Thiết bị phân tích: Máy khuấy từ gia nhiệt DLAB MS-H280-Pro, máy ly tâm 800D, cân phân tích HCB 5001 LB, máy quang phổ UV-Vis Jasco V-730, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM Hitachi S-4800, máy đo diện tích bề mặt BET Quantachrome NOVA 2200e, máy quang phổ FTIR Nicolet iS50, máy nhiễu xạ tia X Malvern Panalytical Empyrean S3, máy quang phổ UV-Vis DRS Jasco V-770 và máy phân tích kích thước hạt DLS Horiba LB550.
  • Quy trình tổng hợp $\text{NPS}$: Hòa tan 4 mL styrene và 3 mmol/mL $\text{SDS}$ trong bình ba cổ chứa nước cất, sục khí $\text{N}_2$, khuấy 300 vòng/phút trong 30 phút. Nâng nhiệt lên 70°C, bổ sung 3,69 mmol/mL $\text{KPS}$, duy trì phản ứng trùng hợp trong 30 phút thu được nhũ tương $\text{NPS}$ dạng latex.
  • Quy trình tổng hợp $\text{BiOCl}$ sol-gel: Hòa tan 0,05 mol $\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ trong hỗn hợp $\text{EG}-\text{H}_2\text{O}$ chứa 1,0 mol/L thiourea ở nhiệt độ phòng. Khi xuất hiện kết tủa trắng, thêm 0,05 mol $\text{KCl}$ và nhỏ giọt 50 mL $\text{HAc}$ 2%, phản ứng 60 phút, lọc rửa bằng nước cất và ethanol, sấy ở 60°C trong 2 giờ.
  • Quy trình tổng hợp $\text{BiOCl}$ trên khuôn $\text{NPS}$: Bổ sung $\text{NPS}$ vào hệ phản ứng sol-gel với tỷ lệ 10, 30, 50, 70, 90% wt, khuấy 60 phút và ly tâm rửa lặp lại bằng $\text{CHCl}_3$ để tách hoàn toàn khuôn $\text{PS}$.
  • Xây dựng đường chuẩn quang phổ $\text{RhB}$ tại bước sóng cực đại 554 nm, đạt phương trình hồi quy tuyến tính với hệ số tương quan $r^2 = 0,99852$. Khảo sát phản ứng quang xúc tác với 160 mL dung dịch $\text{RhB}$ 10 mg/L và 40 mg xúc tác dưới đèn LED 50 W, lấy mẫu phân tích sau mỗi 5 phút chiếu sáng.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 tập trung phân tích các dữ liệu đo đạc thực nghiệm:

  • Đặc trưng của hạt nano polystyrene (NPS): Phổ FTIR ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết $\text{C}-\text{H}$ vòng thơm và mạch béo. Phân tích DLS và ảnh FE-SEM ở độ phóng đại 100k và 150k chứng minh các hạt $\text{NPS}$ chế tạo có dạng hình cầu đồng đều, bề mặt nhẵn và phân bố kích thước hẹp. Giản đồ XRD của $\text{NPS}$ thể hiện cấu trúc vô định hình đặc trưng của polystyrene.
  • Đặc trưng cấu trúc của BiOCl mao quản trung bình: Phổ FTIR của mẫu PS-90 sau khi rửa bằng $\text{CHCl}_3$ không còn tín hiệu vạch hấp thụ của polystyrene, khẳng định khuôn polymer đã được tách bỏ hoàn toàn. Giản đồ XRD của $\text{BiOCl}$ và PS-90 đều thể hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nét tương ứng với pha tinh thể tứ giác của $\text{BiOCl}$, trong đó mặt tinh thể (001) được phân tích chi tiết để xác định kích thước tinh thể trung bình.
  • Hình thái và diện tích bề mặt: Ảnh FE-SEM chỉ ra mẫu $\text{BiOCl}$ sol-gel thông thường có dạng tấm xếp chồng khối đặc, trong khi mẫu PS-90 xuất hiện cấu trúc xốp chứa mạng lưới lỗ xỗng mao quản trung bình phân bố đồng đều. Đường đẳng nhiệt hấp phụ – khử hấp phụ $\text{N}_2$ theo BET của PS-90 thể hiện dạng vòng trễ mao quản (hysteresis loop), ghi nhận diện tích bề mặt riêng ($SSA$), đường kính lỗ xốp và thể tích mao quản tăng rõ rệt so với mẫu $\text{BiOCl}$ đối chứng.
  • Tính chất quang học và năng lượng vùng cấm: Phổ UV-Vis DRS và đồ thị chuyển đổi Tauc xác định giá trị năng lượng vùng cấm ($E_g$) của các mẫu $\text{BiOCl}$, PS-50 và PS-90, chứng minh sự dịch chuyển hấp thụ quang khi có cấu trúc mao quản xốp.
  • Hoạt tính quang xúc tác và động học: Phân tích quá trình hấp phụ $\text{RhB}$ trong bóng tối tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai. Dưới ánh sáng đèn LED 50 W, mẫu PS-90 thể hiện tốc độ làm suy giảm nồng độ $\text{RhB}$ (10 mg/L) nhanh nhất, đạt hằng số tốc độ phản ứng $k$ cao hơn đáng kể so với $\text{BiOCl}$ không biến tính.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và tổng hợp mẫu

Đề tài đã tổng hợp và khảo sát thành công hệ thống 7 mẫu vật liệu theo các tỷ lệ thành phần xác định:

Ký hiệu mẫu Hàm lượng $\text{BiOCl}$ (% wt) Hàm lượng $\text{PS}$ (% wt) Quy trình điều chế
PS 0 100 Trùng hợp nhũ tương bán tự do
BiOCl 100 0 Sol-gel truyền thống
PS-10 90 10 Sol-gel kết hợp khuôn cứng $\text{NPS}$
PS-30 70 30 Sol-gel kết hợp khuôn cứng $\text{NPS}$
PS-50 50 50 Sol-gel kết hợp khuôn cứng $\text{NPS}$
PS-70 30 70 Sol-gel kết hợp khuôn cứng $\text{NPS}$
PS-90 10 90 Sol-gel kết hợp khuôn cứng $\text{NPS}$

Hệ thống kết quả thực nghiệm nổi bật gồm:

  • Hạt nano polystyrene hình cầu được tổng hợp thành công ở kích thước nanomet, phân bố kích thước đồng đều trên ảnh FE-SEM (100k, 150k) và phổ DLS, đóng vai trò khuôn cứng hiệu quả.
  • Kỹ thuật rửa ly tâm bằng dung môi $\text{CHCl}_3$ loại bỏ hoàn toàn gốc hữu cơ của khuôn $\text{PS}$, được chứng minh qua việc biến mất các dao động đặc trưng trên phổ FTIR của mẫu sản phẩm PS-90.
  • Giản đồ XRD khẳng định vật liệu sau khi tách khuôn vẫn bảo toàn độ tinh khiết pha tinh thể tứ giác của $\text{BiOCl}$; kích thước tinh thể được xác định thông qua độ mở rộng vạch phổ Scherrer trên mặt mạng (001).
  • Phép đo BET xác nhận việc đưa 90% wt khuôn $\text{NPS}$ (mẫu PS-90) làm tăng vượt bậc diện tích bề mặt riêng, thể tích mao quản và đường kính mao quản so với $\text{BiOCl}$ tổng hợp bằng sol-gel đơn thuần.
  • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis DRS và đồ thị Tauc đã lượng hóa chính xác sự biến đổi độ rộng vùng cấm ($E_g$) của các mẫu $\text{BiOCl}$, PS-50 và PS-90.
  • Đường chuẩn phân tích $\text{RhB}$ tại bước sóng 554 nm có độ tin cậy cao với $r^2 = 0,99852$. Quá trình hấp phụ pha tối đạt cân bằng sau 30 phút và tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai. Dưới bức xạ đèn LED 50 W, mẫu PS-90 cho hằng số tốc độ phản ứng phân hủy $k$ cao nhất đối với dung dịch $\text{RhB}$ 10 mg/L.

Đóng góp khoa học và ứng dụng

  • Hoàn thiện quy trình thực nghiệm tích hợp giữa phương pháp sol-gel nhiệt độ thấp và kỹ thuật khuôn cứng nano polymer, cho phép kiểm soát vi cấu trúc xốp của vật liệu bán dẫn $\text{BiOCl}$ mà không cần dùng hệ thiết bị nhiệt phân phức tạp.
  • Khẳng định vai trò quyết định của tỷ lệ phần trăm khối lượng khuôn $\text{NPS}$ đến sự hình thành mạng lưới mao quản trung bình, giúp tăng số lượng tâm hoạt tính bề mặt và giảm sự tái tổ hợp hạt mang điện.
  • Ứng dụng nguồn kích thích ánh sáng khả kiến (đèn LED công suất thấp 50 W) thay thế đèn UV năng lượng cao, mở ra giải pháp xử lý chất màu dệt nhuộm thân thiện môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được công bố trong khóa luận:

  • Hạn chế thực nghiệm:
    • Nghiên cứu chỉ mới tiến hành khảo sát hoạt tính quang xúc tác trên một chất màu đơn lẻ là Rhodamine B ($\text{RhB}$) ở nồng độ cố định 10 mg/L trong môi trường nước cất nhân tạo; chưa đánh giá phản ứng trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế có độ mặn, độ đục và thành phần tạp chất phức tạp.
    • Thời gian chiếu xạ quang hóa chỉ dừng lại ở mốc 30 phút khảo sát ngắn hạn.
    • Việc loại bỏ khuôn $\text{NPS}$ bằng dung môi chloroform ($\text{CHCl}_3$) làm phát sinh dung dịch thải chứa dung môi hữu cơ bay hơi, đòi hỏi quy trình thu hồi khép kín nếu nâng quy mô sản xuất.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Khảo sát độ bền pha tinh thể và khả năng tái sử dụng (reusability) của xúc tác PS-90 qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tục.
    • Mở rộng thử nghiệm xử lý các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác như Methylene Blue, Methyl Orange, kháng sinh hoặc hợp chất phenol.
    • Nghiên cứu biện pháp tách khuôn polymer thân thiện hơn với môi trường hoặc tối ưu hóa quá trình thu hồi dung môi $\text{CHCl}_3$ trong quy trình chế tạo.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên, học viên thuộc các ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Môi trường và Vật lý Vật liệu thực hiện các đề tài về vật liệu bán dẫn quang xúc tác và vật liệu nano có cấu trúc mao quản.
  • Nội dung kỹ thuật đáng tham khảo:
    • Quy trình chi tiết tổng hợp hạt nano polystyrene bằng kỹ thuật trùng hợp nhũ tương bán tự do (quasi-emulsifier-free emulsion polymerization) với thông số nồng độ $\text{SDS}$ và $\text{KPS}$ cụ thể.
    • Kỹ thuật tạo cấu trúc xốp mao quản trung bình (mesoporous) bằng khuôn cứng polymer và phương pháp rửa hòa tan khuôn bằng dung môi $\text{CHCl}_3$.
    • Quy trình chuẩn hóa thực nghiệm phân tích đa công cụ kết hợp (FTIR, XRD, FE-SEM, DLS, BET, UV-Vis DRS) và phương pháp xử lý dữ liệu động học quang hóa phân hủy chất màu hữu cơ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano polystyrene (NPS) đóng vai trò gì trong quá trình tổng hợp vật liệu BiOCl?
Hạt nano polystyrene hình cầu đóng vai trò khuôn cứng (hard template). Trong quá trình sol-gel, các hạt $\text{BiOCl}$ kết tủa và phát triển bao quanh bề mặt ngoài của các hạt $\text{NPS}$. Sau khi loại bỏ hạt $\text{NPS}$, vật liệu $\text{BiOCl}$ giữ lại cấu trúc rỗng mao quản trung bình (mesoporous), làm tăng diện tích bề mặt riêng ($SSA$) và thể tích mao quản, tạo nhiều tâm phản ứng quang hóa hơn so với cấu trúc khối thông thường.

2. Quy trình loại bỏ khuôn nano polystyrene ra khỏi cấu trúc BiOCl được tác giả thực hiện như thế nào?
Thay vì sử dụng phương pháp nung phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao (dễ làm kết tụ hoặc biến tính hạt nano), tác giả áp dụng phương pháp hóa học: rửa và ly tâm lặp lại nhiều lần mẫu bột sản phẩm bằng dung môi hữu cơ chloroform ($\text{CHCl}_3$). Chloroform hòa tan có chọn lọc các chuỗi polymer $\text{PS}$ mà không phá hủy khung tinh thể vô cơ $\text{BiOCl}$. Sự biến mất hoàn toàn của các vạch hấp thụ $\text{PS}$ trên phổ FTIR xác nhận khuôn đã được loại bỏ triệt để.

3. Tác giả đã tổng hợp bao nhiêu mẫu khảo sát và tỷ lệ thành phần khối lượng giữa BiOCl và PS được bố trí ra sao?
Tác giả đã chế tạo 7 mẫu khảo sát gồm: mẫu đối chứng $\text{PS}$ thuần (100% wt $\text{PS}$), mẫu đối chứng $\text{BiOCl}$ sol-gel thuần (100% wt $\text{BiOCl}$), và 5 mẫu tổng hợp theo khuôn cứng với tỷ lệ khối lượng $\text{BiOCl}:\text{PS}$ lần lượt là PS-10 (90:10), PS-30 (70:30), PS-50 (50:50), PS-70 (30:70), và PS-90 (10:90).

4. Điều kiện thực nghiệm đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy Rhodamine B được thiết lập cụ thể như thế nào?
Thực nghiệm sử dụng 160 mL dung dịch Rhodamine B có nồng độ ban đầu 10 mg/L, phối trộn cùng 40 mg vật liệu xúc tác. Hệ phản ứng được khuấy từ liên tục trong bóng tối 30 phút để đạt trạng thái cân bằng hấp phụ – giải hấp phụ. Sau đó, hệ được chiếu xạ dưới đèn LED ánh sáng khả kiến công suất 50 W; mẫu dung dịch được rút định kỳ mỗi 5 phút chiếu sáng và đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 554 nm bằng máy quang phổ UV-Vis Jasco V-730.

5. Những phương pháp phân tích công cụ nào đã được sử dụng để xác định tính chất vi cấu trúc và quang học của sản phẩm?
Khóa luận sử dụng hệ thống 8 kỹ thuật phân tích hiện đại:

  • DLS (Horiba LB550): Đo kích thước hạt nhũ tương $\text{NPS}$.
  • FTIR (Nicolet iS50): Xác định nhóm chức và liên kết hóa học.
  • FE-SEM (Hitachi S-4800): Quan sát hình thái vi cấu trúc ở độ phóng đại 100k và 150k.
  • XRD (Malvern Panalytical Empyrean S3): Phân tích cấu trúc pha và kích thước tinh thể.
  • BET (Quantachrome NOVA 2200e): Đo diện tích bề mặt riêng, đường kính và thể tích mao quản qua đẳng nhiệt hấp phụ $\text{N}_2$.
  • UV-Vis DRS (Jasco V-770): Đo phổ phản xạ khuếch tán và xác định năng lượng vùng cấm ($E_g$) qua đồ thị Tauc.
  • UV-Vis (Jasco V-730): Xác định nồng độ suy giảm của phẩm màu $\text{RhB}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Tuấn Anh đã chế tạo thành công vật liệu quang xúc tác $\text{BiOCl}$ cấu trúc rỗng mao quản trung bình bằng phương pháp sol-gel kết hợp khuôn cứng hạt nano polystyrene ($\text{NPS}$). Kết quả đo đạc thực nghiệm khẳng định tỷ lệ khuôn $\text{NPS}$ đưa vào ảnh hưởng rõ rệt đến hình thái vi cấu trúc, diện tích bề mặt riêng, năng lượng vùng cấm và khả năng hấp phụ của vật liệu, trong đó mẫu biến tính PS-90 (tỷ lệ 90% wt $\text{NPS}$) ghi nhận các đặc trưng cấu trúc vượt trội và hằng số tốc độ phân hủy phẩm màu Rhodamine B cao nhất dưới ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu cung cấp một quy trình thực nghiệm chặt chẽ, có giá trị học thuật cao trong việc phát triển vật liệu bán dẫn cấu trúc nano ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước.