## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, vật liệu nano oxit đã thu hút sự quan tâm lớn do ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, y học, sinh học và công nghiệp. Oxit zirconium (ZrO2) là một chất bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm lớn (3,25 - 5,1 eV), được ứng dụng trong pin nhiên liệu, gốm kỹ thuật, cảm biến oxi và quang xúc tác phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Tuy nhiên, hiệu quả quang xúc tác của ZrO2 còn hạn chế do tốc độ tái hợp nhanh của các cặp electron/lỗ trống. Việc tổng hợp vật liệu nano composit ZrO2 với ZnO, một oxit bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm 3,4 eV và khả năng hấp thụ ánh sáng UV cao, cùng pha tạp ion Ce4+ nhằm cải thiện hiệu suất quang xúc tác là hướng nghiên cứu quan trọng. 

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đặc trưng cấu trúc, đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composit ZrO2/ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt, tập trung xử lý chất màu môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong xử lý môi trường, nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến với các chỉ số hiệu suất phân hủy chất màu đạt trên 60% trong điều kiện thử nghiệm.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn:** Quang xúc tác dựa trên sự kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron/lỗ trống tham gia phản ứng oxy hóa khử phân hủy chất ô nhiễm.
- **Mô hình composit oxit bán dẫn:** Kết hợp ZrO2 và ZnO nhằm tăng cường sự phân tách điện tích, giảm tốc độ tái hợp electron/lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.
- **Hiệu ứng pha tạp ion đất hiếm (Ce4+):** Ion Ce4+ có khả năng cải thiện hiệu suất quang xúc tác nhờ tính oxi hóa khử linh hoạt và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng.
- **Khái niệm vật liệu nano:** Vật liệu có kích thước dưới 100 nm, có hiệu ứng bề mặt lớn và kích thước tới hạn ảnh hưởng đến tính chất quang, điện và hóa học.
- **Phương pháp thủy nhiệt:** Tổng hợp vật liệu nano trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, giúp kiểm soát kích thước hạt, cấu trúc và độ tinh khiết sản phẩm.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Vật liệu nano composit ZrO2/ZnO/x%Ce được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các nồng độ Ce khác nhau (0%, 3%, 5%, 7%, 9%).
- **Phân tích cấu trúc:** Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và cấu trúc tinh thể; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái và kích thước hạt.
- **Đặc trưng bề mặt:** Phương pháp BET đo diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản.
- **Phân tích liên kết hóa học:** Phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR) xác định các nhóm chức và liên kết trong vật liệu.
- **Phổ hấp thụ ánh sáng:** Phổ UV-Vis-DRS đánh giá vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm.
- **Khảo sát hoạt tính quang xúc tác:** Phân hủy chất màu Metylen xanh (MB) dưới ánh sáng thường và đèn Led 30 W, khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu, nồng độ MB, nhiệt độ và thời gian.
- **Timeline nghiên cứu:** Tổng hợp và phân tích vật liệu trong vòng 6 tháng, khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong 3 tháng tiếp theo.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Cấu trúc vật liệu:** Các vật liệu ZrO2/ZnO/x%Ce kết tinh đa pha với pha monoclinic ZrO2 và pha lục giác ZnO, ion Ce4+ pha tạp thành công vào mạng tinh thể mà không tạo pha oxit đất hiếm riêng biệt. Đỉnh nhiễu xạ dịch chuyển về góc 2θ nhỏ hơn khi tăng nồng độ Ce do bán kính ion Ce4+ lớn hơn ion Zr4+ và Zn2+.
- **Hình thái hạt:** SEM và TEM cho thấy hạt nano composit hình cầu kích thước 50-90 nm, vật liệu pha tạp 5% Ce có dạng thanh nano với kích thước lớn hơn và ít kết tụ hơn.
- **Diện tích bề mặt:** Vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce có diện tích bề mặt 11,71 m²/g, lớn hơn đáng kể so với 7,91 m²/g của ZrO2/ZnO, góp phần tăng hiệu quả quang xúc tác.
- **Năng lượng vùng cấm:** Giảm từ 3,25 eV xuống 3,15 eV khi tăng nồng độ Ce, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng về phía bước sóng khả kiến (~400 nm).
- **Hiệu suất phân hủy MB:** Hiệu suất phân hủy MB tăng theo khối lượng vật liệu và thời gian, đạt trên 65% với vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce dưới chiếu sáng đèn Led 30 W sau 180 phút, cao hơn so với vật liệu không pha tạp và điều kiện không chiếu sáng.

### Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác tăng rõ rệt khi pha tạp Ce do ion Ce4+ giúp giảm tốc độ tái hợp electron/lỗ trống và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Diện tích bề mặt lớn hơn của vật liệu pha tạp Ce tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp phụ chất màu và phản ứng oxy hóa bậc cao trên bề mặt. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu composit oxit kim loại và pha tạp ion đất hiếm, đồng thời mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường nước. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo khối lượng vật liệu và thời gian, bảng so sánh năng lượng vùng cấm và diện tích bề mặt các mẫu.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tăng cường nghiên cứu pha tạp ion đất hiếm:** Mở rộng nghiên cứu với các ion khác như La, Bi để tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác, hướng đến nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ.
- **Phát triển quy trình tổng hợp:** Ứng dụng phương pháp thủy nhiệt với điều kiện tối ưu để sản xuất vật liệu nano composit quy mô lớn, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả kinh tế.
- **Ứng dụng trong xử lý nước thải:** Triển khai thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có chứa chất màu, đánh giá hiệu quả và khả năng tái sử dụng vật liệu.
- **Tích hợp hệ thống chiếu sáng hiệu quả:** Sử dụng đèn Led công suất phù hợp để kích hoạt quang xúc tác, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu quả xử lý.
- **Chủ thể thực hiện:** Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ môi trường và cơ sở sản xuất vật liệu nano cần phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu vật liệu nano:** Nắm bắt kỹ thuật tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano composit oxit kim loại, ứng dụng quang xúc tác.
- **Chuyên gia môi trường:** Áp dụng vật liệu quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước, phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả.
- **Doanh nghiệp sản xuất vật liệu:** Tham khảo quy trình tổng hợp thủy nhiệt và các thông số kỹ thuật để sản xuất vật liệu nano composit quy mô công nghiệp.
- **Sinh viên và học viên cao học:** Học tập phương pháp nghiên cứu, phân tích vật liệu và ứng dụng trong lĩnh vực hóa học phân tích và công nghệ môi trường.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu nano?**  
Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt, cấu trúc và độ tinh khiết sản phẩm nhanh chóng với thiết bị đơn giản, phù hợp tổng hợp vật liệu nano composit.

2. **Tại sao pha tạp ion Ce4+ lại cải thiện hiệu suất quang xúc tác?**  
Ion Ce4+ có khả năng chuyển đổi oxi hóa khử linh hoạt, giảm tốc độ tái hợp electron/lỗ trống và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó tăng hiệu quả quang xúc tác.

3. **Hiệu suất phân hủy Metylen xanh đạt được là bao nhiêu?**  
Vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce đạt hiệu suất phân hủy MB trên 65% sau 180 phút dưới chiếu sáng đèn Led 30 W, cao hơn so với vật liệu không pha tạp.

4. **Diện tích bề mặt ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính quang xúc tác?**  
Diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng hấp phụ chất màu lên bề mặt vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa bậc cao, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

5. **Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải công nghiệp không?**  
Có, vật liệu nano composit ZrO2/ZnO pha tạp Ce có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ, giúp giảm ô nhiễm môi trường hiệu quả.

## Kết luận

- Đã tổng hợp thành công vật liệu nano composit ZrO2/ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt với cấu trúc đa pha ổn định và kích thước hạt nano đồng đều.  
- Ion Ce4+ pha tạp làm giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV xuống 3,15 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.  
- Vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce có diện tích bề mặt lớn hơn 11,7 m²/g, tăng hiệu quả quang xúc tác phân hủy Metylen xanh đạt trên 65% sau 180 phút chiếu sáng.  
- Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc phát triển vật liệu quang xúc tác ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước.  
- Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng pha tạp ion đất hiếm và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các vật liệu quang xúc tác mới dựa trên nền tảng nghiên cứu này.