Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự suy thoái của các hệ thống thủy sinh tự nhiên (ao, hồ, sông, suối, kênh rạch) do hoạt động xả thải công nghiệp đang là thách thức môi trường nghiêm trọng trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng với sự phát triển của các ngành công nghiệp dệt may, nhuộm, sản xuất giấy tạo ra lượng lớn nước thải chứa kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Hằng năm, ngành công nghiệp dệt may toàn cầu sản xuất khoảng 800.000 tấn phẩm nhuộm, trong đó từ 10% đến 15% bị thất thoát và xả trực tiếp vào nguồn nước trong quá trình sản xuất. Các loại thuốc nhuộm tổng hợp này có cấu trúc bền vững, khó phân hủy sinh học, có khả năng gây độc và ung thư cho con người cũng như phá vỡ hệ sinh thái thủy sinh.

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như keo tụ, lắng lọc, hấp phụ hoặc màng lọc thẩm thấu ngược (RO) bộc lộ nhiều hạn chế khi xử lý nước thải dệt nhuộm phức tạp: chi phí vận hành cao, hiệu quả xử lý chưa triệt để ở nồng độ cao và tạo ra lượng bùn thải thứ cấp gây ô nhiễm môi trường. Phương pháp xử lý sinh học cũng gặp khó khăn do tính độc của thuốc nhuộm ức chế sự phát triển của vi sinh vật.

Trong bối cảnh đó, công nghệ xúc tác quang (photocatalysis) nổi lên như một giải pháp xanh hiệu quả. Dưới tác dụng của ánh sáng, các chất bán dẫn đóng vai trò xúc tác tạo ra các gốc oxy hóa mạnh để khoáng hóa triệt để các chất hữu cơ độc hại thành các chất vô hại ($CO_2$ và $H_2O$) mà không làm thay đổi bản chất của xúc tác. Bismuth oxybromide ($BiOBr$) thuộc nhóm hợp chất bismuth oxyhalide ($BiOX$, với $X = Cl, Br, I$) là vật liệu bán dẫn vùng cấm gián tiếp khoảng 2,90 eV, có cấu trúc phân lớp tứ giác đặc trưng tạo ra điện trường nội tại mạnh giúp phân tách hiệu quả cặp điện tử - lỗ trống ($e^-/h^+$). Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của $BiOBr$ nguyên bản vẫn bị giới hạn bởi diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp thụ ánh sáng. Việc sử dụng các hạt vi cầu nano polystyrene (NPS) làm khuôn cứng (hard template) để tạo cấu trúc rỗng/xốp (mesoporous) được xem là giải pháp nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc và vị trí hoạt tính bề mặt.

Khóa luận thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Đề xuất quy trình tổng hợp hạt vi cầu nano polystyrene (NPS) bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương gần như không có chất nhũ hóa (quasi-emulsifier-free emulsion polymerization).
  2. Tổng hợp vật liệu quang xúc tác $BiOBr$ nguyên bản bằng phương pháp sol-gel.
  3. Tổng hợp vật liệu $BiOBr$ cấu trúc xốp/rỗng theo phương pháp khuôn cứng (hard template) sử dụng NPS với các tỉ lệ phần trăm khối lượng khác nhau (10 wt%, 30 wt%, 50 wt%, 70 wt%, 90 wt%).
  4. Khảo sát đặc tính hóa lý, cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang học của các mẫu vật liệu thông qua các phép phân tích FTIR, DLS, FE-SEM, XRD, UV-Vis và UV-Vis DRS.
  5. Đánh giá khả năng hấp phụ và hiệu quả xúc tác quang phân hủy phẩm nhuộm Rhodamine B (RhB) ở nồng độ 10 mg/L dưới nguồn kích thích ánh sáng đèn LED trắng, đồng thời tính toán động học của quá trình hấp phụ và quang phân hủy.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ vật liệu hạt vi cầu polystyrene (NPS), bismuth oxybromide ($BiOBr$) và vật liệu tổ hợp/xốp $BiOBr/PS$, cùng đối tượng phân hủy là phẩm nhuộm hữu cơ Rhodamine B (RhB). Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Viện Công nghệ Nano và Khu Công nghệ cao TP.HCM, hoàn thành vào tháng 08 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng

Cơ chế quang xúc tác bán dẫn khởi đầu khi vật liệu hấp thụ photon ánh sáng ($h\nu$) có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($E_g$). Quá trình này kích thích electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), sinh ra cặp điện tử - lỗ trống ($e^-/h^+$):

$$\text{Semiconductor} + h\nu \rightarrow h^+(\text{VB}) + e^-(\text{CB})$$

Lỗ trống quang sinh ($h^+$) có thế oxy hóa cao ($> 2,31\text{ V/NHE}$ tại pH = 0) phản ứng với nước để tạo ra gốc hydroxyl tự do ($\text{OH}^\bullet$):

$$\text{H}_2\text{O} + h^+(\text{VB}) \rightarrow \text{H}^+ + \text{OH}^\bullet$$

Electron trên vùng dẫn ($e^-$) có tính khử mạnh khử oxy hòa tan ($O_2$) thành gốc superoxide ($\text{O}_2^{\bullet-}$):

$$e^-(\text{CB}) + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_2^{\bullet-}$$

Các gốc tự do này tiếp tục chuyển hóa và oxy hóa các phân tử hữu cơ:

$$\text{O}_2^{\bullet-} + \text{H}^+ \rightarrow \text{HO}_2^\bullet$$ $$\text{O}_2^{\bullet-} + \text{HO}_2^\bullet + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_2\text{O}_2 + \text{O}_2$$ $$\text{H}_2\text{O}_2 + h\nu \rightarrow 2\text{OH}^\bullet$$ $$\text{OH}^\bullet + \text{Chất ô nhiễm hữu cơ} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{sản phẩm khác}$$

Cấu trúc tinh thể của $BiOBr$ gồm các lớp $[\text{Bi}_2\text{O}_2]$ xen kẽ với các lớp đôi halogen $[Br]$ dọc theo trục $c$. Liên kết bên trong mỗi lớp là liên kết cộng hóa trị mạnh, trong khi giữa các lớp là lực liên kết Van der Waals yếu. Sự phân bố điện tích không đồng đều tạo ra điện trường phân cực nội tại, thúc đẩy sự phân tách điện tích. Mặt phẳng tinh thể (001) được xác định là mặt phân lớp có hoạt tính quang xúc tác cao nhất.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và hóa chất sử dụng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm hóa học kết hợp các phép phân tích công cụ hiện đại để tổng hợp và đánh giá vật liệu. Danh mục hóa chất chính được sử dụng bao gồm:

STT Tên hóa chất Công thức hóa học Hàm lượng/Quy cách Xuất xứ
1 Bismuth(III) nitrate pentahydrate $\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ 100 g (dạng bột) Đức
2 Styrene (Phenyl ethylene) $\text{C}_8\text{H}_8$ 500 mL Trung Quốc
3 Potassium bromide $\text{KBr}$ 500 g (dạng bột) Trung Quốc
4 Potassium peroxydisulfate (KPS) $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_8$ 500 g (dạng bột) Trung Quốc
5 Sodium dodecyl sulfate (SDS) $\text{NaC}{12}\text{H}{25}\text{SO}_4$ 500 g (dạng bột) Trung Quốc
6 Rhodamine B (RhB) $\text{C}{28}\text{H}{31}\text{ClN}_2\text{O}_3$ 25 g (dạng bột) Ấn Độ
7 Chloroform $\text{CHCl}_3$ 500 mL Ấn Độ
8 Ethanol tuyệt đối $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ 1000 mL Trung Quốc
9 Toluene $\text{C}_7\text{H}_8$ 500 mL Trung Quốc
10 Ethylene glycol (EG) $(\text{CH}_2\text{OH})_2$ 500 mL Trung Quốc

Thiết bị và phương pháp phân tích đặc trưng

Hệ thống thiết bị đo đạc phục vụ phân tích cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu bao gồm:

Tên thiết bị Model Mục đích và thông số phân tích
Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Nicolet iS50 Phân tích nhóm chức và liên kết hóa học trong vùng bước sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) Hitachi S-4800 Quan sát hình thái bề mặt, cấu trúc hạt và độ xốp ở điện thế gia tốc $10 - 40\text{ kV}$
Thiết bị tán xạ ánh sáng động (DLS) Horiba LB550 Đo phân bố kích thước hạt nano và bán kính thủy động học theo phương trình Stokes-Einstein
Nhiễu xạ tia X (XRD) Malvern Panalytical Empyrean Series 3 Phân tích cấu trúc pha tinh thể, tính kích thước hạt theo phương trình Scherrer trên mặt (001)
Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Jasco V-730 Xây dựng đường chuẩn RhB và đo độ giảm nồng độ RhB theo định luật Lambert-Beer
Quang phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) Jasco V-770 Xác định khả năng hấp thụ quang và độ rộng vùng cấm ($E_g$) theo phương trình Tauc

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài (Overview of the topic)

Chương này phân tích nhu cầu ứng dụng vật liệu quang xúc tác trên thế giới và tại Việt Nam trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước. Tác giả tổng hợp các nghiên cứu về biến tính chất bán dẫn truyền thống ($TiO_2, ZnO$) bằng cách pha tạp phi kim ($B, C, N, F$), xử lý axit hoặc tạo cấu trúc rỗng thông qua vi cầu polystyrene. Tại Việt Nam, nhiều công trình đã phát triển cấu trúc nano như tấm nano $ZnO$ dạng san hô, vật liệu tổ hợp $Fe_2O_3-TiO_2/GA$ phân hủy 97% phẩm xanh methylen, hay thanh nano $ZnO$ pha tạp $Mn$. Từ đó, chương 1 xác lập tính cấp thiết của việc nghiên cứu vật liệu $BiOBr$ cấu trúc phân lớp kết hợp khuôn nano polystyrene nhằm tối ưu hóa diện tích bề mặt và hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.

Chương 2: Tổng quan về vật liệu (Introduction of materials)

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết về cấu trúc tinh thể tứ giác, tính chất quang - điện và các phương pháp tổng hợp vật liệu bán dẫn $BiOBr$ (sol-gel, thủy nhiệt). Đồng thời, chương này giới thiệu cấu trúc hóa học, hình thể không gian (atactic, syndiotactic, isotactic) và các tính chất cơ lý, nhiệt độ làm việc ($59 - 79^\circ\text{C}$), nhiệt độ phân hủy ($\sim 330^\circ\text{C}$) của polystyrene (PS). Các kỹ thuật trùng hợp polymer được phân tích và so sánh gồm: trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù và trùng hợp nhũ tương. Tác giả nhấn mạnh phương pháp trùng hợp nhũ tương gần như không chất nhũ hóa (quasi-emulsifier-free) sử dụng nồng độ chất hoạt động bề mặt dưới nồng độ micelle tới hạn (CMC), giúp kiểm soát quá trình tạo mầm đồng đều và hạn chế tạo mầm thứ cấp. Nguyên lý chế tạo vật liệu có cấu trúc rỗng/xốp bằng phương pháp khuôn cứng (hard templating) cũng được trình bày có hệ thống: tẩm tiền chất lên khuôn, đóng rắn bằng xử lý hóa/nhiệt và loại bỏ khuôn bằng dung môi hòa tan hoặc nung.

Chương 3: Thực nghiệm (Experiments)

Chương 3 mô tả chi tiết các bước tiến hành thực nghiệm:

  • Tổng hợp hạt vi cầu nano polystyrene (NPS): Hòa tan 4 mL monomer styrene (MS) và chất hoạt động bề mặt SDS ($3\text{ mmol/mL}$) trong nước cất trong bình cầu 3 cổ dưới môi trường khí nitơ ($N_2$). Khuấy ở tốc độ 300 vòng/phút trong 30 phút để tạo phân tán đồng nhất, sau đó nâng nhiệt độ lên $70^\circ\text{C}$. Bổ sung chất khơi mào KPS ($3,69\text{ mmol/mL}$) và duy trì phản ứng trùng hợp trong 30 phút thu được nhũ tương NPS.
  • Tổng hợp $BiOBr$ nguyên bản (Sol-gel): Hòa tan 0,28 g $Bi(NO_3)_3\cdot 5H_2O$ trong hỗn hợp dung môi ethylene glycol (EG) và $H_2O$ có chứa $1,0\text{ mol/L}$ thiourea (Tu) ở nhiệt độ phòng. Sau khi xuất hiện kết tủa trắng, thêm 0,27 g $KBr$. Khuấy phản ứng trong 60 phút, lọc, rửa bằng nước cất và ethanol tuyệt đối, sau đó sấy ở $40^\circ\text{C}$ trong 6 giờ.
  • Tổng hợp $BiOBr$ sử dụng khuôn NPS: Tiền chất $Bi(NO_3)_3\cdot 5H_2O$ được hòa tan trong dung môi EG và $H_2O$, cho $KBr$ vào phản ứng trong 30 phút tạo kết tủa trắng. Tiếp tục đưa nhũ tương NPS vào hệ với các tỉ lệ khối lượng 10 wt%, 30 wt%, 50 wt%, 70 wt% và 90 wt%, khuấy duy trì phản ứng trong 60 phút. Sản phẩm được ly tâm và rửa nhiều lần bằng chloroform ($CHCl_3$) để hòa tan loại bỏ hoàn toàn khuôn polystyrene, thu được các mẫu bột xốp tương ứng.

Danh sách các mẫu vật liệu được tổng hợp theo quy trình thực nghiệm:

STT Tên mẫu Tỉ lệ khối lượng BiOBr (wt%) Tỉ lệ khối lượng PS (wt%)
1 PS 0 100
2 BiOBr 100 0
3 PS - 10 90 10
4 PS - 30 70 30
5 PS - 50 50 50
6 PS - 70 30 70
7 PS - 90 10 90
  • Khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Xây dựng đường chuẩn quang phổ UV-Vis cho phẩm màu Rhodamine B từ dung dịch gốc 1000 mg/L pha loãng thành các nồng độ từ 1 mg/L đến 15 mg/L. Đánh giá quá trình hấp phụ chất màu RhB (10 mg/L) trong bóng tối để đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp, sau đó chiếu xạ bằng đèn LED trắng để đo lường động học suy giảm nồng độ RhB theo thời gian.

Chương 4: Kết quả và thảo luận (Results and discussions)

Chương 4 phân tích dữ liệu thực nghiệm thu được từ các phép đo:

  • Đặc trưng của hạt NPS: Phổ FTIR xác nhận các dải dao động đặc trưng của khung phân tử polystyrene. Kết quả DLS và ảnh FE-SEM ở độ phóng đại 100k và 200k chứng minh các hạt NPS có dạng hình cầu đồng đều, kích thước dưới 100 nm và độ đa phân tán thấp.
  • Đặc trưng của vật liệu $BiOBr$ mesoporous: Phổ FTIR của các mẫu $BiOBr$, PS-10, PS-30, PS-50, PS-70, PS-90 xác nhận việc loại bỏ hoàn toàn khuôn PS sau khi rửa bằng $CHCl_3$. Giản đồ XRD của mẫu $BiOBr$ và PS-70 thể hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nét đặc trưng cho cấu trúc tứ giác của $BiOBr$; việc phóng đại đỉnh trên mặt phẳng (001) được dùng để xác định sự biến đổi kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer. Ảnh FE-SEM ở độ phóng đại 50k và 100k cho thấy mẫu PS-70 có độ xốp bề mặt và diện tích tiếp xúc tăng đáng kể so với mẫu $BiOBr$ tổng hợp sol-gel thông thường. Phổ UV-Vis DRS và đồ thị Tauc chỉ ra sự dịch chuyển nhẹ của bờ hấp thụ và giá trị năng lượng vùng cấm ($E_g$) giữa $BiOBr$ và PS-70.
  • Hoạt tính quang xúc tác và động học: Dữ liệu hấp phụ RhB trong bóng tối tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc hai (pseudo-second-order kinetic model). Khi tăng hàm lượng khuôn PS từ 10% đến 70%, dung lượng hấp phụ và tốc độ phân hủy RhB tăng dần nhờ sự gia tăng mao quản và diện tích bề mặt, nhưng có xu hướng suy giảm khi hàm lượng PS đạt 90%. Mẫu $BiOBr$ đối chứng đạt hiệu quả loại bỏ dung dịch RhB 10 ppm trong thời gian dưới 1 giờ chiếu đèn LED trắng, trong khi các mẫu sử dụng khuôn NPS (đặc biệt là PS-50 và PS-70) thể hiện hằng số tốc độ phản ứng phân hủy quang hóa vượt trội.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Tổng hợp thành công hạt vi cầu nano polystyrene (NPS) có kích thước dưới 100 nm, hình thái cầu đồng đều và phân bố kích thước hẹp bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương gần như không chất nhũ hóa với chất khơi mào KPS và lượng nhỏ SDS.
  • Tổng hợp thành công xúc tác quang $BiOBr$ bằng phương pháp sol-gel truyền thống, có khả năng phân hủy hoàn toàn dung dịch thuốc nhuộm Rhodamine B nồng độ 10 ppm (10 mg/L) trong thời gian dưới 1 giờ dưới ánh sáng đèn LED trắng.
  • Chế tạo thành công hệ vật liệu $BiOBr$ cấu trúc mao quản trung bình (mesoporous) bằng phương pháp khuôn cứng NPS ở các tỉ lệ khối lượng khác nhau (10%, 30%, 50%, 70%, 90% PS), loại bỏ sạch khuôn polymer bằng dung môi $CHCl_3$.
  • Xác định được mối tương quan giữa hàm lượng khuôn NPS với cấu trúc vi mô, diện tích bề mặt, kích thước tinh thể mặt (001), năng lượng vùng cấm và khả năng hấp phụ/xúc tác quang của vật liệu. Quá trình hấp phụ RhB được chứng minh tuân theo động học bậc hai biểu kiến.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất quy trình thực nghiệm kết hợp phương pháp sol-gel và khuôn cứng polymer (NPS) để kiểm soát hình thái cấu trúc xốp của $BiOBr$, giúp nâng cao diện tích bề mặt riêng và hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến.
  • Cung cấp số liệu thực nghiệm chi tiết về hằng số tốc độ phản ứng, dung lượng hấp phụ và phổ quang học của chuỗi mẫu $BiOBr$ biến tính theo tỉ lệ khuôn NPS, làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ trong nước thải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Một số phép đo phân tích chuyên sâu nhằm làm rõ cơ chế động học phản ứng và nồng độ các gốc tự do quang sinh chưa được thực hiện đầy đủ.
  • Tồn tại sự chênh lệch đáng kể giữa kích thước hạt NPS đo bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) do ảnh hưởng của lớp vỏ thủy động học trong dung dịch.
  • Phép phân tích và biện luận một số dải hấp thụ trên phổ FTIR giữa các mẫu $BiOBr$ và composite còn chưa đồng nhất và cần được hoàn thiện chi tiết hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Bổ sung các phương pháp phân tích nâng cao (như đo diện tích bề mặt riêng BET, phổ cộng hưởng từ điện tử ESR/EPR) để bẫy và xác định chính xác vai trò của các gốc $\text{OH}^\bullet$ và $\text{O}_2^{\bullet-}$.
  • Khảo sát độ bền tái sử dụng (reusability/stability) của vật liệu qua nhiều chu kỳ xúc tác quang liên tiếp.
  • Mở rộng phạm vi đánh giá khả năng xử lý trên các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khác và mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và các nhóm nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Môi trường và Vật lý Vật liệu. Cụ thể:

  • Quy trình tổng hợp hạt nano: Cung cấp thông số thực nghiệm chuẩn xác để chế tạo hạt vi cầu nano polymer kích thước dưới 100 nm bằng phương pháp quasi-emulsifier-free emulsion polymerization.
  • Phương pháp khuôn cứng (Hard template): Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc sử dụng vi cầu polymer làm khuôn tạo cấu trúc xốp mesoporous cho vật liệu bán dẫn vô cơ và kỹ thuật rửa tách khuôn bằng dung môi hữu cơ ($CHCl_3$).
  • Phương pháp khảo sát quang xúc tác: Hướng dẫn chi tiết cách dựng đường chuẩn UV-Vis, khảo sát cân bằng hấp phụ trong bóng tối và tính toán các thông số động học phản ứng phân hủy chất màu dưới ánh sáng đèn LED.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp tổng hợp hạt vi cầu polystyrene trong khóa luận được gọi là "quasi-emulsifier-free emulsion polymerization" vì sao?

Phương pháp này được gọi là "quasi-emulsifier-free" (trùng hợp nhũ tương gần như không có chất nhũ hóa) vì hệ phản ứng sử dụng chất hoạt động bề mặt (SDS) ở nồng độ rất thấp, thấp hơn nhiều so với nồng độ micelle tới hạn (CMC). Kỹ thuật này vừa giúp đảm bảo độ ổn định của các hạt mầm oligomer tạo thành trong dung dịch, vừa hạn chế tối đa hiện tượng tạo mầm thứ cấp (secondary nucleation), từ đó tạo ra các hạt vi cầu polymer có kích thước đồng đều và độ phân tán hẹp hơn so với phương pháp nhũ tương thông thường.

Tại sao mặt tinh thể (001) được chọn để tính toán kích thước tinh thể của vật liệu BiOBr và PS-70 trên giản đồ XRD?

Mặt phẳng tinh thể (001) trong cấu trúc phân lớp tứ giác của $BiOBr$ là mặt phẳng tinh thể đặc trưng vuông góc với trục $c$ (nơi chứa các lớp $[\text{Bi}_2\text{O}_2]$ và $[Br]$ xen kẽ). Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặt (001) là bề mặt có hoạt tính quang xúc tác cao nhất nhờ sự phân bố điện trường nội tại mạnh nhất, hỗ trợ quá trình phân tách và chuyển dịch điện tử quang sinh. Do đó, việc tập trung phân tích đỉnh nhiễu xạ (001) qua phương trình Scherrer giúp đánh giá trực tiếp sự biến đổi kích thước tinh thể tại mặt hoạt tính chính của vật liệu.

Khuôn cứng polystyrene (NPS) được loại bỏ khỏi vật liệu BiOBr bằng kỹ thuật nào?

Sau khi quá trình tạo khung $BiOBr$ bọc xung quanh các hạt vi cầu NPS hoàn tất, khuôn polystyrene được loại bỏ bằng phương pháp hòa tan hóa học (chemical etching/washing). Sản phẩm được đưa vào máy ly tâm và rửa nhiều lần bằng dung môi chloroform ($\text{CHCl}_3$) – dung môi hữu cơ có khả năng hòa tan tốt polystyrene mà không phá hủy hay làm biến tính khung tinh thể vô cơ $BiOBr$, để lại cấu trúc rỗng/xốp (mesoporous).

Khi tăng hàm lượng khuôn PS từ 10% đến 90%, khả năng hấp phụ chất màu RhB thay đổi như thế nào?

Khi tăng hàm lượng NPS từ 10 wt% đến 70 wt%, khả năng hấp phụ và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tăng dần do lượng khuôn tạo ra mật độ mao quản và diện tích bề mặt riêng lớn hơn. Tuy nhiên, khi hàm lượng NPS tăng quá cao lên mức 90 wt% (mẫu PS-90), khả năng hấp phụ và hằng số tốc độ phản ứng có xu hướng suy giảm. Nguyên nhân là do lượng khuôn quá lớn làm khung cấu trúc $BiOBr$ bị mỏng, dễ sụp đổ cấu trúc xốp trong quá trình tách khuôn, làm giảm độ bền cơ học và giảm số lượng tâm hoạt tính quang xúc tác hiệu dụng.

Quá trình phân hủy phẩm màu Rhodamine B trong nghiên cứu được đánh giá ở nồng độ nào và dưới nguồn sáng gì?

Quá trình phân hủy quang xúc tác được khảo sát trên dung dịch Rhodamine B (RhB) ở nồng độ ban đầu 10 mg/L (tương đương 10 ppm), sử dụng nguồn kích thích là ánh sáng phát ra từ đèn LED trắng. Nồng độ chất màu theo thời gian được xác định thông qua độ hấp thụ quang trên máy quang phổ UV-Vis Jasco V-730 dựa trên đường chuẩn xây dựng từ dải nồng độ 1 - 15 mg/L.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đặng Ngọc Lượng đã hoàn thành mục tiêu tổng hợp thành công hạt vi cầu nano polystyrene (NPS) và ứng dụng làm khuôn cứng để chế tạo vật liệu quang xúc tác $BiOBr$ cấu trúc mao quản trung bình (mesoporous). Các kết quả phân tích hóa lý và quang học đã chứng minh ảnh hưởng rõ rệt của hàm lượng khuôn NPS đến hình thái bề mặt, kích thước tinh thể và hoạt tính phân hủy quang hóa phẩm nhuộm Rhodamine B dưới ánh sáng khả kiến (đèn LED trắng). Đề tài đáp ứng đầy đủ yêu cầu chuyên môn của một khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Vật liệu, cung cấp quy trình chế tạo vật liệu xốp định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm.