## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang trở thành vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và sự phát triển bền vững. Theo ước tính, các ao hồ, sông ngòi tại các khu vực công nghiệp lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh đang bị ô nhiễm nặng bởi các chất thải hữu cơ bền vững, có khả năng tích lũy và gây độc cho sinh vật và con người. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ ô nhiễm của vật liệu nano CuInS2 trong vùng ánh sáng khả kiến, nhằm phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên trong năm 2015, tập trung vào việc điều chế vật liệu CuInS2 bằng hai phương pháp khác nhau và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy chất hữu cơ điển hình là metyl da cam (MO). Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về vật liệu quang xúc tác mới, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến với hiệu suất cao, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn:** Quang xúc tác là quá trình xúc tác được kích hoạt bởi ánh sáng, trong đó chất bán dẫn như CuInS2 hấp thụ photon tạo ra cặp electron - lỗ trống, tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm.  
- **Cơ chế quang xúc tác trên vật liệu bán dẫn:** Khi photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg) kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống có thời gian sống ngắn, các hạt tải điện này di chuyển đến bề mặt và tương tác với các chất hấp phụ, sinh ra các gốc tự do như HO•, O2- có khả năng phân hủy chất hữu cơ.  
- **Thuật ngữ chuyên ngành:**  
  - *Eg (Năng lượng vùng cấm):* 1,7 eV đối với CuInS2, thấp hơn nhiều so với TiO2 (3,2 eV), cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn.  
  - *Metyl da cam (MO):* Chất hữu cơ độc hại, thuốc nhuộm axit, khó phân hủy, được sử dụng làm mẫu chất ô nhiễm điển hình trong nghiên cứu.  
  - *Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS):* Kỹ thuật xác định tính chất quang học và năng lượng vùng cấm của vật liệu.  
  - *Nhiễu xạ tia X (XRD):* Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.  
  - *Hiển vi điện tử truyền qua (TEM):* Phân tích hình thái, kích thước hạt nano.  

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Vật liệu CuInS2 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên.  
- **Phương pháp điều chế:**  
  - *Phương pháp kết tủa hóa học:* Chuẩn bị dung dịch chứa CuCl, In(NO3)3, acid mercaptoacetic và thioacetamide, khuấy ở 70ºC trong 5 giờ, để nguội và ly tâm thu kết tủa (ký hiệu DCIS-1).  
  - *Phương pháp thủy nhiệt vi sóng:* Dung dịch tương tự được xử lý trong lò vi sóng ở 160ºC trong 40 phút, sau đó để nguội và ly tâm thu kết tủa (ký hiệu DCIS-4).  
- **Phân tích vật liệu:**  
  - XRD để xác định cấu trúc tinh thể và pha.  
  - EDX để xác định thành phần nguyên tố Cu, In, S.  
  - TEM để khảo sát kích thước và hình thái hạt nano.  
  - DRS để xác định phổ hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.  
- **Khảo sát hoạt tính quang xúc tác:**  
  - Sử dụng dung dịch metyl da cam (MO) 10 mg/L, pH 7, thêm 10 mg vật liệu xúc tác, khuấy trong bóng tối đến cân bằng hấp phụ.  
  - Chiếu sáng bằng đèn halogen 500W trong 30 phút, đo nồng độ MO còn lại bằng máy quang phổ UV-Vis.  
  - Thí nghiệm ảnh hưởng của pH (3, 5, 7, 9, 11) và thời gian chiếu sáng (30-180 phút) đến hiệu suất phân hủy MO.  
- **Timeline nghiên cứu:** Thực hiện trong năm 2015, bao gồm tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng, khảo sát hoạt tính quang xúc tác và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Cấu trúc tinh thể:** Giản đồ XRD cho thấy cả hai phương pháp điều chế tạo ra CuInS2 tinh khiết với các đỉnh đặc trưng tại 2θ = 27,9°; 46,2°; 55,1°. Mẫu DCIS-4 (thủy nhiệt vi sóng) có đỉnh sắc nét hơn, cho thấy cấu trúc tinh thể rõ ràng và tinh khiết hơn so với DCIS-1 (kết tủa).  
- **Kích thước hạt:** TEM cho thấy kích thước hạt nano trung bình của DCIS-1 khoảng 40 nm, nhỏ hơn so với DCIS-4 khoảng 80 nm, cả hai mẫu có phân bố hạt đồng đều, không kết tụ.  
- **Tính chất quang học:** Phổ DRS cho thấy cả hai vật liệu hấp thụ mạnh ánh sáng khả kiến (400-800 nm). Bờ hấp thụ của DCIS-1 dịch chuyển về sóng dài hơn, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn DCIS-4.  
- **Hiệu suất quang xúc tác phân hủy MO:** DCIS-1 đạt hiệu suất phân hủy MO là 26,05%, cao hơn đáng kể so với DCIS-4 là 13,58%.  
- **Ảnh hưởng của pH:** Hiệu suất phân hủy MO của DCIS-1 thay đổi theo pH, với pH tối ưu khoảng 7, hiệu suất giảm ở pH quá cao hoặc quá thấp.  
- **Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng:** Hiệu suất phân hủy MO tăng dần theo thời gian, đạt mức tối đa sau khoảng 180 phút chiếu sáng, với sự giảm rõ rệt nồng độ MO qua phổ UV-Vis tại bước sóng 464 nm.

### Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp kết tủa tạo ra vật liệu CuInS2 có kích thước hạt nhỏ hơn và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, dẫn đến hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ cao hơn so với phương pháp thủy nhiệt vi sóng. Sự khác biệt về cấu trúc tinh thể và kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tạo và duy trì cặp electron-lỗ trống, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy MO. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của kích thước hạt và cấu trúc tinh thể đến hoạt tính quang xúc tác. Việc hiệu suất giảm ở pH quá cao hoặc quá thấp được giải thích do sự thay đổi trạng thái ion hóa của MO và vật liệu xúc tác, ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và phản ứng quang xúc tác. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MO theo thời gian và pH, cũng như phổ UV-Vis thể hiện sự giảm nồng độ MO. Nghiên cứu góp phần khẳng định tiềm năng ứng dụng của CuInS2 trong xử lý ô nhiễm môi trường nước bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng ánh sáng khả kiến.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu CuInS2 bằng phương pháp kết tủa:** Tối ưu hóa điều kiện phản ứng để kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc tinh thể, nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.  
- **Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu CuInS2 trong xử lý nước thải công nghiệp:** Thử nghiệm trên các loại chất ô nhiễm hữu cơ khác nhau và trong điều kiện thực tế tại các khu công nghiệp. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.  
- **Xây dựng hệ thống quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời:** Thiết kế và thử nghiệm hệ thống quang xúc tác quy mô pilot sử dụng vật liệu CuInS2, tận dụng nguồn ánh sáng khả kiến tự nhiên để giảm chi phí năng lượng. Thời gian: 18-24 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.  
- **Đào tạo và chuyển giao công nghệ:** Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu quang xúc tác cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.  

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu:** Nắm bắt kiến thức về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano CuInS2, phương pháp quang xúc tác và ứng dụng trong xử lý môi trường.  
- **Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải:** Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước thải bằng quang xúc tác, đặc biệt với các chất ô nhiễm hữu cơ bền.  
- **Doanh nghiệp công nghệ môi trường:** Tìm hiểu công nghệ mới, vật liệu quang xúc tác hiệu quả để đầu tư và triển khai các giải pháp xử lý ô nhiễm thân thiện môi trường.  
- **Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường:** Tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến xử lý ô nhiễm nước và phát triển công nghệ xanh.  

## Câu hỏi thường gặp

1. **Vật liệu CuInS2 có ưu điểm gì so với TiO2 trong quang xúc tác?**  
CuInS2 có năng lượng vùng cấm nhỏ (1,7 eV) nên hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn TiO2 (3,2 eV), giúp tăng hiệu suất quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời.

2. **Phương pháp tổng hợp nào cho vật liệu CuInS2 hiệu quả hơn?**  
Phương pháp kết tủa tạo ra hạt nano nhỏ hơn (~40 nm) và hiệu suất quang xúc tác cao hơn (26,05%) so với phương pháp thủy nhiệt vi sóng.

3. **Tại sao pH ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác?**  
pH thay đổi trạng thái ion hóa của chất ô nhiễm và bề mặt vật liệu, ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và phản ứng quang xúc tác, dẫn đến hiệu suất khác nhau.

4. **Thời gian chiếu sáng ảnh hưởng thế nào đến phân hủy chất hữu cơ?**  
Hiệu suất phân hủy tăng theo thời gian chiếu sáng, đạt tối đa sau khoảng 180 phút, do sự tích lũy các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt vật liệu.

5. **Có thể ứng dụng vật liệu CuInS2 trong xử lý nước thải thực tế không?**  
Có, với khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến và hiệu suất phân hủy chất hữu cơ tốt, CuInS2 là vật liệu tiềm năng cho công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường.

## Kết luận

- Đã tổng hợp thành công vật liệu nano CuInS2 bằng hai phương pháp kết tủa và thủy nhiệt vi sóng với cấu trúc tinh thể chuẩn và kích thước hạt nano đồng đều.  
- Vật liệu CuInS2 điều chế bằng phương pháp kết tủa có hiệu suất quang xúc tác phân hủy metyl da cam cao hơn (26,05%) so với phương pháp thủy nhiệt vi sóng (13,58%).  
- Hiệu suất quang xúc tác phụ thuộc rõ rệt vào pH dung dịch và thời gian chiếu sáng, với pH tối ưu là 7 và thời gian chiếu sáng khoảng 180 phút.  
- Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác mới, hiệu quả trong xử lý ô nhiễm môi trường nước sử dụng ánh sáng khả kiến.  
- Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và phát triển hệ thống quang xúc tác quy mô thực tế nhằm góp phần bảo vệ môi trường bền vững.  

**Hành động tiếp theo:** Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời thúc đẩy đào tạo và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực quang xúc tác.