Điều chế và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu cấu trúc nano perovskite kép La2MnTiO6

Cấu trúc perovskite kép ABX3, đặc biệt là dạng A2BB’O6, mang lại nhiều ưu điểm so với perovskite đơn. Sự thay thế cation tại vị trí A hoặc B tạo ra sự đa dạng về thành phần hóa học và tính chất vật lý. Cấu trúc này không chỉ cho phép tích hợp các nguyên tố có hóa trị cao mà còn tăng cường độ ổn định hóa học trong điều kiện khắc nghiệt. Việc điều chỉnh loại và tỷ lệ thành phần hóa học cho phép tối ưu hóa các đặc tính quang xúc tác của vật liệu. Nghiên cứu của Iwakura và cộng sự đã chứng minh rằng tính ổn định của perovskite kép phụ thuộc vào bản chất của cation B hóa trị cao, điều này mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới.

Phản ứng quang xúc tác dựa trên chất bán dẫn đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời để thực hiện các phản ứng hóa học. Quá trình này bao gồm sự hấp thụ ánh sáng để tạo ra các cặp electron – lỗ trống, sau đó chúng di chuyển đến bề mặt chất xúc tác để tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử. Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và thành phần của chất xúc tác. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của perovskite kép trong các ứng dụng quang xúc tác, ví dụ như Ba2Bi1.6O6 trong phân tách nước quang điện hóa.

Tetracycline (TC) là một loại kháng sinh phổ biến được sử dụng rộng rãi trong y học và thú y. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi này đã dẫn đến sự tích tụ TC trong môi trường, đặc biệt là trong nước thải và nguồn nước. TC không dễ phân hủy sinh học và có thể tồn tại lâu dài trong môi trường, gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Sự tồn dư của TC trong môi trường có thể góp phần vào sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, một vấn đề ngày càng trở nên nghiêm trọng trên toàn cầu.

Nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau đã được áp dụng để loại bỏ TC, bao gồm hấp phụ, lọc màng và oxy hóa. Tuy nhiên, các phương pháp này thường có những hạn chế nhất định, chẳng hạn như hiệu quả không cao, chi phí vận hành lớn hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), bao gồm quang xúc tác, đang được nghiên cứu và phát triển như một giải pháp tiềm năng để phân hủy TC một cách hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu La2MnTiO6 cấu trúc nano. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống khác, bao gồm khả năng kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học, kích thước hạt và hình thái của vật liệu. Ngoài ra, phương pháp sol-gel thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sự bay hơi của các thành phần dễ bay hơi. Cuối cùng, phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao và độ đồng nhất tốt.

Quy trình điều chế vật liệu perovskite kép La2MnTiO6 bằng phương pháp sol-gel bao gồm các bước chính sau: (1) hòa tan các tiền chất kim loại (ví dụ: nitrat hoặc alkoxide) trong dung môi thích hợp để tạo thành sol, (2) thêm chất xúc tác hoặc chất điều chỉnh pH để thúc đẩy quá trình thủy phân và trùng ngưng, (3) khuấy trộn và ủ sol để tạo thành gel, (4) sấy khô gel để loại bỏ dung môi và các chất hữu cơ, và (5) nung kết calcination vật liệu ở nhiệt độ cao để tạo thành pha perovskite tinh khiết. Nhiệt độ nung đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát kích thước tinh thể và độ tinh khiết của vật liệu.

Nồng độ Tetracycline (TC) và các sản phẩm phân hủy của nó có thể được xác định bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau, bao gồm quang phổ UV-Vis, sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và đo tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC). Quang phổ UV-Vis được sử dụng để đo sự hấp thụ ánh sáng của TC ở các bước sóng đặc trưng, cho phép xác định nồng độ TC trong dung dịch. HPLC được sử dụng để tách và định lượng các sản phẩm phân hủy của TC. TOC được sử dụng để đo tổng lượng cacbon hữu cơ trong dung dịch, cho phép đánh giá mức độ khoáng hóa của TC.

Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO) có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt, diện tích bề mặt, cấu trúc tinh thể, năng lượng vùng cấm, pH của dung dịch, nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng và sự có mặt của các ion khác. Để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác, cần điều chỉnh các yếu tố này để đạt được điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy chất ô nhiễm. Ví dụ, kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt lớn có thể tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tiếp xúc với chất ô nhiễm. Điều chỉnh pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ chất ô nhiễm lên bề mặt vật liệu.

Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nung có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và diện tích bề mặt của vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO). Nhiệt độ nung tối ưu thường nằm trong khoảng 700-900°C, vì nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến pha không tinh khiết, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm giảm diện tích bề mặt và khả năng quang xúc tác.

Cơ chế phân hủy TC bằng LMTO bao gồm sự hấp thụ ánh sáng để tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Lỗ trống oxy hóa TC trực tiếp, trong khi electron khử oxy hòa tan để tạo ra các gốc superoxide (•O2−). Các gốc superoxide và các gốc hydroxyl (•OH) được tạo ra từ nước cũng tham gia vào quá trình phân hủy TC. Nghiên cứu của Lê Thanh Như Ngọc cho thấy vai trò quan trọng của các gốc tự do trong quá trình phân hủy TC bằng LMTO.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình điều chế vật liệu perovskite, như nhiệt độ, thời gian nung, tỷ lệ tiền chất và quy trình sấy khô, để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động quang xúc tác của La2MnTiO6 (LMTO) ở cấp độ phân tử để xác định các yếu tố hạn chế quá trình và tìm cách cải thiện chúng.

Sau khi chứng minh được tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế, cần tiến hành các thử nghiệm quy mô lớn hơn để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng LMTO trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế. Cần nghiên cứu các phương pháp sản xuất LMTO quy mô lớn với chi phí thấp và độ tin cậy cao để đáp ứng nhu cầu thương mại. Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và các cơ quan quản lý để thúc đẩy quá trình thương mại hóa vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6.