I. Tính chất quang xúc tác của TiO2
Chất xúc tác quang TiO2 được biết đến với nhiều ứng dụng trong xử lý nước và không khí ô nhiễm. Tuy nhiên, TiO2 có một số nhược điểm như năng lượng vùng cấm lớn (khoảng 3.2 eV cho dạng anatase và 3.0 eV cho dạng rutile), điều này hạn chế khả năng hấp thu ánh sáng mặt trời. Theo nghiên cứu, việc biến tính TiO2 bằng các phi kim như N, P, S có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý cho thấy, N-TiO2 có thể giảm năng lượng vùng cấm và tăng cường hoạt tính quang xúc tác. Cụ thể, N-TiO2 đã được chứng minh có khả năng phân hủy phenol hiệu quả hơn so với TiO2 thông thường.
1.1 Nguyên lý cơ bản của xúc tác quang hóa dị thể
Xúc tác quang hóa dị thể diễn ra thông qua nhiều giai đoạn, bao gồm khuếch tán chất tham gia phản ứng, hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác, và hấp thụ photon ánh sáng. Khi ánh sáng kích thích các electron trong chất xúc tác, chúng sẽ tạo ra các cặp electron - lỗ trống, từ đó tham gia vào các phản ứng quang hóa. Quá trình này không chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất xúc tác mà còn vào điều kiện môi trường xung quanh.
II. Tổng hợp vật liệu N TiO2
N-TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, trong đó acetyl acetone được sử dụng để làm chậm quá trình thủy phân titanium n-butoxide. Việc sử dụng PEG 400 làm môi trường phân tán giúp tăng khả năng phân tán của TiO2 trong quá trình tổng hợp. Các yếu tố như tỉ lệ mol nN:nTi, nhiệt độ nung và thời gian nung được khảo sát kỹ lưỡng để tối ưu hóa quá trình tổng hợp. Kết quả cho thấy, chất xúc tác N-TiO2 có kích thước hạt khoảng 20 nm và năng lượng band gap thấp, cho phép hấp thụ ánh sáng tự nhiên hiệu quả hơn.
2.1 Quy trình điều chế N TiO2 monolith
Quy trình phủ xúc tác N-TiO2 lên nền monolith được thực hiện bằng phương pháp ngâm tẩm. Điều này không chỉ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc mà còn cải thiện khả năng tái sử dụng của xúc tác. Nền monolith được chọn lựa vì cấu trúc lỗ xốp tốt, giúp giữ lại chất xúc tác một cách hiệu quả. Việc này giúp khắc phục các nhược điểm của xúc tác dạng bột, như khó thu hồi và giải hấp.
III. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của N TiO2
Hoạt tính quang xúc tác của N-TiO2 được đánh giá thông qua hiệu suất phân hủy 2-naphthol trong nước. Kết quả cho thấy, chất xúc tác N-TiO2 với tỉ lệ mol nN:nTi là 5% đạt hiệu suất phân hủy cao nhất, lên đến 76% trong 6 giờ dưới ánh sáng tự nhiên. Điều này chứng tỏ rằng việc biến tính TiO2 bằng N không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Các phương pháp phân tích như TGA, XRD, FT-IR, và SEM được sử dụng để xác định các đặc tính cấu trúc và hình thái của vật liệu.
3.1 Tái sử dụng chất xúc tác N TiO2 monolith
Việc tái sử dụng chất xúc tác là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, chất xúc tác N-TiO2/monolith có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu suất quang xúc tác. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm thiểu chất thải từ quá trình sản xuất và sử dụng chất xúc tác.
