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

• Tác giả: Lê Thanh Như Ngọc
• Người hướng dẫn: PGS. TS Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Điều chế và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu cấu trúc nano perovskite kép La2MnTiO6
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Perovskite kép A2BB’O6
• 1.2. Vật liệu perovskite kép (A2BB’O6)
• 1.3. Tính chất quang xúc tác của vật liệu perovskite kép (A2BB’O6)
• 1.4. Perovskite kép La2BB’O6
• 1.5. Tác dụng hiệp đồng của Mangan và Titan tại vị trí B trong vật liệu perovskite
• 1.6. Perovskite kép La2MnTiO6 ứng dụng phân hủy chất hữu cơ
• 1.7. Phương pháp điều chế
• 1.8. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung thực hiện
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp điều chế La2MnTiO6
• 2.5. Đánh giá tính chất đặc trưng vật liệu
• 2.5.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.5.2. Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM)
• 2.5.3. Phổ phân tán năng lượng tia X (EDX)
• 2.5.4. Phổ khuếch tán phản xạ tử ngoại khả kiến (DRS-UV Vis)
• 2.5.5. Đánh giá diện tích bề mặt riêng
• 2.5.6. Khảo sát điểm đẳng điện
• 2.6. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu
• 3.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu La2MnTiO6
• 3.1.2. Phân tích hình thái vật liệu (FE-SEM & EDX)
• 3.1.3. Diện tích bề mặt riêng BET
• 3.1.4. Năng lượng vùng cấm của LMTO-800
• 3.1.5. Điểm đẳng điện của vật liệu LMTO-800
• 3.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.2.1. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu LMTO theo nhiệt độ nung
• 3.2.2. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu LMTO theo pH dung dịch TC
• 3.2.3. Ảnh hưởng của các anion tồn tại trong dung dịch
• 3.2.4. Ảnh hưởng đồng thời của pH và anion SO42− trong dung dịch TC
• 3.2.5. Độ bền của vật liệu LMTO
• 3.2.6. Cơ chế phân hủy quang xúc tác của vật liệu LMTO
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X
• Phụ lục 2: Kết quả phân tích BET
• Phụ lục 3: Tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• Phụ lục 4: Phổ phán xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)
• Phụ lục 5: Total Organic Carbon (TOC)
• Phụ lục 6: Kết quả quang phân và quang xúc tác TC của LMTO-800 tại pH∼10
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan La2MnTiO6 Vật liệu quang xúc tác tiềm năng

Vật liệu perovskite kép La2MnTiO6 (LMTO) đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu quang xúc tác nhờ đặc tính hóa lý đa dạng và độ ổn định hóa học cao. Nghiên cứu này tập trung vào điều chế vật liệu perovskite LMTO cấu trúc nano bằng phương pháp sol-gel và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của nó trong việc phân hủy Tetracycline (TC), một loại kháng sinh phổ biến gây ô nhiễm môi trường. Luận văn của Lê Thanh Như Ngọc đã chỉ ra rằng LMTO có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa TC. Việc hiểu rõ cơ chế hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác của LMTO là rất quan trọng để tối ưu hóa ứng dụng của nó. Theo nghiên cứu, vật liệu này cho thấy khả năng phân hủy TC hiệu quả, mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Cấu trúc tinh thể Perovskite kép Đặc điểm và ưu thế

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.

1.2. Ứng dụng quang xúc tác Tiềm năng của vật liệu perovskite

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.

II. Thách thức ô nhiễm Tetracycline Giải pháp từ La2MnTiO6

Sự gia tăng sử dụng Tetracycline (TC) trong y tế và nông nghiệp đã dẫn đến ô nhiễm nguồn nước, gây ra những lo ngại về sức khỏe cộng đồng và sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ TC, đòi hỏi các giải pháp tiên tiến hơn. Vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO) nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng cho việc phân hủy TC nhờ khả năng quang xúc tác. Luận văn của Lê Thanh Như Ngọc tập trung vào việc đánh giá hoạt tính quang xúc tác của LMTO trong việc phân hủy TC, cung cấp một giải pháp tiềm năng cho vấn đề ô nhiễm này.

2.1. Tetracycline TC Nguồn gốc tác hại và sự tồn tại trong môi trường

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.

2.2. Các phương pháp xử lý TC hiện tại Ưu và nhược điểm

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.

III. Phương pháp Sol Gel Bí quyết điều chế La2MnTiO6 nano hiệu quả

Phương pháp sol-gel được sử dụng để điều chế vật liệu perovskite La2MnTiO6 (LMTO) cấu trúc nano trong nghiên cứu này. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt, hình thái và thành phần của vật liệu, tạo điều kiện tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác. Các yếu tố như nhiệt độ nung, tỷ lệ mol của các tiền chất và pH của dung dịch ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của vật liệu. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để sản xuất LMTO có hoạt tính quang xúc tác cao.

3.1. Ưu điểm của phương pháp Sol Gel trong điều chế vật liệu nano

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.

3.2. Quy trình điều chế La2MnTiO6 bằng phương pháp Sol Gel

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.

IV. Đánh giá hoạt tính Phương pháp kiểm tra quang xúc tác La2MnTiO6

Để đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO), quá trình phân hủy Tetracycline (TC) dưới ánh sáng UV hoặc ánh sáng khả kiến được theo dõi. Các thông số như hiệu suất phân hủy, hằng số tốc độ phản ứng và độ bền của vật liệu được xác định. Các kỹ thuật phân tích như UV-Vis, HPLC và TOC được sử dụng để đo nồng độ TC và các sản phẩm phân hủy. Nghiên cứu này cho phép xác định khả năng của LMTO trong việc loại bỏ TC khỏi nước thải.

4.1. Phương pháp phân tích Tetracycline TC và sản phẩm phân hủy

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.

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác và cách tối ưu hóa

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.

V. Kết quả nghiên cứu Hiệu quả phân hủy TC của La2MnTiO6 nano

Nghiên cứu của Lê Thanh Như Ngọc đã chỉ ra rằng vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO) có hoạt tính quang xúc tác đáng kể trong việc phân hủy Tetracycline (TC). Vật liệu được điều chế bằng phương pháp sol-gel và nung ở 800°C cho thấy hiệu suất phân hủy TC cao nhất. Các yếu tố như pH của dung dịch, nồng độ chất xúc tác và sự có mặt của các ion ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về tiềm năng ứng dụng của LMTO trong xử lý nước thải.

5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác

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.

5.2. Cơ chế phân hủy TC bằng La2MnTiO6 Vai trò của các gốc tự do

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.

VI. Tương lai La2MnTiO6 Ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu cấu trúc nano La2MnTiO6 (LMTO) có tiềm năng lớn trong ứng dụng xử lý nước thải chứa Tetracycline (TC) và các chất ô nhiễm khác. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình điều chế, nâng cao độ bền của vật liệu và mở rộng ứng dụng sang các loại chất ô nhiễm khác. Việc kết hợp LMTO với các công nghệ xử lý nước thải khác cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo Tối ưu hóa và nâng cao hiệu quả

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.

6.2. Ứng dụng thực tế và tiềm năng thương mại hóa vật liệu La2MnTiO6

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.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dược phẩm và chăn nuôi, việc tồn dư kháng sinh trong môi trường nước ngày càng trở nên nghiêm trọng. Tetracycline (TC), một loại kháng sinh phổ biến, đã được phát hiện với nồng độ lên đến 2960 µg.L⁻¹ trong nước thải chăn nuôi tại một số địa phương, gây ra nguy cơ kháng thuốc và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ than hoạt tính, lọc màng hay keo tụ hóa học thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn TC. Do đó, công nghệ quang xúc tác, đặc biệt là sử dụng vật liệu perovskite kép, được xem là giải pháp tiềm năng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như TC một cách xanh và hiệu quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu perovskite kép La₂MnTiO₆ (LMTO) cấu trúc nano, ứng dụng trong phân hủy TC. Vật liệu được điều chế bằng phương pháp sol-gel, với các mẫu nung ở nhiệt độ từ 700 đến 1000 °C. Mục tiêu chính là xác định điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất phân hủy TC cao nhất, khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch, các anion tồn tại trong nước thải, cũng như đánh giá độ bền và cơ chế quang xúc tác của LMTO. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. HCM, trong giai đoạn từ tháng 9/2022 đến tháng 12/2024.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ tính chất quang xúc tác của LMTO mà còn mở ra hướng ứng dụng mới trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Hiệu suất phân hủy TC và các chỉ số liên quan được đo lường chi tiết, tạo cơ sở khoa học vững chắc cho việc phát triển vật liệu xúc tác quang trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu perovskite kép có công thức tổng quát A₂BB'O₆, trong đó các cation vị trí B và B' đóng vai trò quan trọng trong hoạt tính quang xúc tác. Perovskite kép có ưu điểm về tính ổn định hóa học và khả năng điều chỉnh cấu trúc tinh thể, giúp cải thiện hiệu suất phân tách electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺), từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết quang xúc tác chất bán dẫn: Quá trình quang xúc tác bắt đầu khi vật liệu hấp thụ ánh sáng tạo ra các cặp e⁻/h⁺, các hạt này tham gia vào phản ứng oxy hóa khử để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như TC.

• Mô hình Langmuir–Hinshelwood: Mô tả động học phân hủy TC trên bề mặt xúc tác, với giả định phản ứng bậc một, giúp xác định hằng số tốc độ phân hủy và đánh giá hiệu quả xúc tác.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điểm đẳng điện (pHpzc), năng lượng vùng cấm (Eg), gốc tự do quang sinh (h⁺, •OH, •O₂⁻), và ảnh hưởng của các anion trong dung dịch đến quá trình quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu La₂MnTiO₆ được điều chế bằng phương pháp sol-gel sử dụng các hóa chất chuẩn như La(NO₃)₃·6H₂O, Mn(NO₃)₂, Ti(C₄H₉O)₄, axit citric làm chất tạo phức. Các mẫu được nung ở nhiệt độ 700, 800, 900 và 1000 °C.

• Phương pháp phân tích: Cấu trúc tinh thể được xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD), hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và phổ phân tán năng lượng tia X (EDX). Diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp được đo bằng phương pháp hấp phụ-giải hấp nitơ (BET). Năng lượng vùng cấm được xác định qua phổ khuếch tán phản xạ UV-Vis (DRS-UV Vis). Điểm đẳng điện được xác định bằng phương pháp đo pH cuối sau khi tiếp xúc với dung dịch KCl.

• Đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Phân hủy TC (40 mg.L⁻¹) trong dung dịch được thực hiện dưới chiếu sáng đèn UV LED 50W (365 nm) với 1,0 g.L⁻¹ xúc tác. Hiệu suất phân hủy được đo qua phổ UV-Vis theo thời gian, tính theo phần trăm giảm hấp thụ tại bước sóng 358 nm. Các yếu tố ảnh hưởng như pH dung dịch, sự có mặt của các anion (Cl⁻, HCO₃⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻) được khảo sát. Độ bền xúc tác được đánh giá qua chu kỳ tái sử dụng. Các gốc tự do tham gia phản ứng được xác định bằng thí nghiệm bắt gốc.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2022 đến tháng 12/2024, bao gồm các giai đoạn điều chế, phân tích đặc tính vật liệu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính hóa lý của vật liệu LMTO:

   • Mẫu LMTO nung ở 800 °C có cấu trúc đơn pha, kích thước tinh thể trung bình 13,59 nm, mức độ tinh thể hóa 70,46%.
   • Diện tích bề mặt riêng đạt 22,12 m².g⁻¹, lớn hơn so với mẫu nung ở 900 °C (16,83 m².g⁻¹) và 1000 °C (14,53 m².g⁻¹).
   • Năng lượng vùng cấm Eg của LMTO-800 là 2,83 eV, cho phép hoạt động dưới ánh sáng khả kiến.
   • Điểm đẳng điện pHpzc xác định là 7,75, ảnh hưởng đến tương tác điện tích giữa bề mặt xúc tác và phân tử TC.

2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy TC:

   • Mẫu LMTO-800 đạt hiệu suất phân hủy TC cao nhất khoảng 62% sau 120 phút, vượt trội so với mẫu nung ở 700 °C (34,7%) và 1000 °C (51,1%).
   • Hiệu suất phân hủy tăng theo pH dung dịch từ 2,08 đến 10,04, với hiệu suất đạt 80,4% ở pH 10,04.
   • Sự hiện diện của ion SO₄²⁻ (5 mM) trong dung dịch làm tăng hiệu suất phân hủy TC thêm khoảng 10%, đồng thời tăng tốc độ phân hủy rõ rệt.
   • Độ bền của LMTO được chứng minh qua khả năng tái sử dụng ít nhất 4 chu kỳ với hiệu suất không giảm đáng kể.

3. Cơ chế quang xúc tác:

   • Ba nhóm gốc tự do chính tham gia phân hủy TC gồm lỗ trống quang sinh (h⁺), gốc hydroxyl (•OH) và superoxide (•O₂⁻), với thứ tự ưu tiên tác động là h⁺ > •OH > •O₂⁻.
   • Các anion trong dung dịch có thể tương tác với gốc tự do, ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Ví dụ, ion SO₄²⁻ tạo ra gốc •SO₄⁻ có khả năng oxy hóa mạnh, thúc đẩy quá trình phân hủy.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang xúc tác của LMTO phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện nung và đặc tính vật liệu. Nhiệt độ nung 800 °C tạo ra sự cân bằng tối ưu giữa kích thước tinh thể nhỏ, diện tích bề mặt lớn và mức độ tinh thể hóa cao, giúp tăng khả năng hấp phụ và phân tách điện tử hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu perovskite kép và ảnh hưởng của kích thước hạt đến hoạt tính xúc tác.

Sự gia tăng hiệu suất phân hủy TC theo pH được giải thích bởi sự thay đổi dạng ion hóa của TC và điện tích bề mặt xúc tác, ảnh hưởng đến tương tác hấp phụ. Ở pH cao, TC tồn tại chủ yếu dưới dạng ion âm, thuận lợi cho sự tấn công của các gốc oxy hóa mạnh như •OH. Tuy nhiên, khi pH vượt quá 9,0, TC có thể bị quang phân tự nhiên, làm giảm sự khác biệt giữa quá trình có và không có xúc tác.

Ảnh hưởng tích cực của ion SO₄²⁻ được lý giải bởi khả năng tạo ra gốc •SO₄⁻ có năng lượng oxy hóa cao, góp phần tăng tốc độ phân hủy TC và nâng cao hiệu quả khoáng hóa, như thể hiện qua chỉ số TOC tăng gấp 2,35 lần so với hệ không có SO₄²⁻. Điều này cho thấy LMTO có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải có chứa ion sunfat.

Các kết quả thí nghiệm bắt gốc tự do khẳng định vai trò chủ đạo của lỗ trống quang sinh (h⁺) trong quá trình oxy hóa TC, đồng thời hỗ trợ cơ chế phân hủy dựa trên sự tạo thành và tương tác của các gốc oxy hóa mạnh. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, đồ thị phổ UV-Vis của dung dịch TC và bảng so sánh hằng số tốc độ phân hủy dưới các điều kiện khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình điều chế LMTO: Khuyến nghị duy trì nhiệt độ nung ở 800 °C để đạt được cấu trúc đơn pha với diện tích bề mặt lớn, nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Thời gian nung và quá trình nghiền bi cần được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo kích thước hạt nano đồng đều.

2. Điều chỉnh pH dung dịch xử lý: Khuyến khích duy trì pH trong khoảng 8-10 để tối ưu hóa hiệu suất phân hủy TC, tận dụng sự tương tác thuận lợi giữa bề mặt xúc tác và dạng ion TC. Cần tránh pH quá cao (>9) để hạn chế hiện tượng quang phân tự nhiên không kiểm soát.

3. Ứng dụng trong xử lý nước thải chứa ion SO₄²⁻: Khuyến nghị sử dụng LMTO trong các hệ thống xử lý nước thải có chứa ion sunfat, tận dụng khả năng tăng cường hiệu quả phân hủy và khoáng hóa TC. Có thể phối hợp với các quá trình oxy hóa nâng cao khác để nâng cao hiệu quả tổng thể.

4. Nâng cao độ bền và tái sử dụng xúc tác: Đề xuất phát triển quy trình tái sinh xúc tác sau mỗi chu kỳ sử dụng, bao gồm rửa sạch và nung lại ở 500 °C, nhằm duy trì hoạt tính và giảm chi phí vận hành trong ứng dụng thực tế.

5. Mở rộng nghiên cứu cơ chế phân hủy: Khuyến nghị tiếp tục khảo sát vai trò của các gốc tự do và ảnh hưởng của các ion khác trong nước thải, sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại để hiểu sâu hơn về cơ chế quang xúc tác, từ đó cải tiến vật liệu và quy trình xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về điều chế và đánh giá vật liệu perovskite kép, giúp mở rộng kiến thức về vật liệu xúc tác quang và ứng dụng trong xử lý môi trường.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy kháng sinh TC và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường hỗ trợ thiết kế hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt trong các khu vực có nguồn nước thải chứa kháng sinh cao.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và quy trình điều chế vật liệu LMTO, giúp phát triển sản phẩm xúc tác quang thân thiện môi trường, có khả năng ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Kết quả nghiên cứu góp phần đánh giá các công nghệ xử lý nước thải mới, hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn và quy định về xử lý chất ô nhiễm kháng sinh trong nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu La₂MnTiO₆ có ưu điểm gì so với các xúc tác quang khác?
   La₂MnTiO₆ có cấu trúc perovskite kép ổn định, năng lượng vùng cấm phù hợp (2,83 eV) cho hoạt động dưới ánh sáng khả kiến, diện tích bề mặt lớn và khả năng ức chế tái hợp electron-lỗ trống, giúp nâng cao hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm như Tetracycline.

2. Phương pháp sol-gel có lợi thế gì trong điều chế LMTO?
   Phương pháp sol-gel đơn giản, chi phí thấp, kiểm soát tốt kích thước hạt và độ đồng đều vật liệu, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và cấu trúc nano ổn định, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác.

3. Tại sao pH dung dịch ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy TC?
   pH ảnh hưởng đến dạng ion hóa của TC và điện tích bề mặt xúc tác, từ đó thay đổi tương tác hấp phụ và khả năng tấn công của các gốc oxy hóa. pH từ 8 đến 10 tạo điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình phân hủy.

4. Ion SO₄²⁻ có vai trò gì trong quá trình quang xúc tác?
   Ion SO₄²⁻ tham gia tạo ra gốc sulfat (•SO₄⁻) có năng lượng oxy hóa cao, thúc đẩy quá trình phân hủy và khoáng hóa TC, làm tăng hiệu suất và tốc độ phân hủy so với hệ không có ion này.

5. LMTO có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
   Nghiên cứu cho thấy LMTO có thể tái sử dụng ít nhất 4 chu kỳ với hiệu suất phân hủy TC không giảm đáng kể, thể hiện độ bền và tính ổn định cao trong quá trình quang xúc tác.

Kết luận

• Vật liệu perovskite kép La₂MnTiO₆ được điều chế thành công bằng phương pháp sol-gel với cấu trúc đơn pha, kích thước tinh thể trung bình 13,59 nm và diện tích bề mặt riêng 22,12 m².g⁻¹ ở nhiệt độ nung 800 °C.
• LMTO-800 thể hiện hiệu suất phân hủy Tetracycline cao nhất khoảng 62% trong 120 phút, hiệu suất tăng theo pH dung dịch và được thúc đẩy bởi sự có mặt của ion SO₄²⁻.
• Cơ chế quang xúc tác chủ yếu dựa trên hoạt động của lỗ trống quang sinh (h⁺), gốc hydroxyl (•OH) và superoxide (•O₂⁻), với vai trò ưu tiên của h⁺.
• Vật liệu LMTO có độ bền cao, khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh và ion sunfat.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, đề xuất tối ưu quy trình điều chế và điều kiện vận hành để nâng cao hiệu quả xử lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, đồng thời mở rộng nghiên cứu về cơ chế và ứng dụng của vật liệu perovskite kép trong các lĩnh vực môi trường khác.