MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Phương pháp xúc tác quang hoá (photocatalysis) là một trong những công nghệ tiên tiễn trong việc xử ly ô nhiễm môi trường và thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Lợi ích lớn của xúc tác quang hoá là nó không cần thêm hóa chất và có thé hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn. Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình này còn phụ thuộc vào các yếu tố như loại xúc tác, nguồn sáng, và điều kiện môi trường.
Hướng sử dụng vật liệu quang xúc tác trong quá trình oxy hoá và khử các chất ô nhiễm thành các hợp chất giá trị khác là hướng nghiên cứu được quan tâm gần đây. Trong những năm gần đây, vật liệu quang xúc tác trên cơ sở polymer graphitic carbon nitride (g-CaN¿) nỗi lên như một xúc tác đầy tiềm năng do có năng lượng vùng cam thấp, có thê bị kích hoạt trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nhưng vẫn có nhược điểm cơ bản là sự tái tổ hợp nhanh của cặp điện tử - lỗ trống. Như vậy, vật liệu có thể được cải thiện diện tích bề mặt riêng, tối ưu sự phân bố pha và tăng thời gian sống của cặp điện tử - lỗ trống quang sinh dé tăng hiệu suất quá trình quang xúc tác xử lý chat 6 nhiễm. Bên cạnh đó, vật liệu có thé được biến tinh dé ứng dụng khả năng quang xúc tác kép cho cả quá trình oxy hoá và quá trình khử các chất ô nhiễm.
Trong số các tác nhân gây ô nhiễm môi trường, thuốc kháng sinh oxytetracycline và CO> là hai đối tượng phù hợp dé nghiên cứu đồng thời khả năng oxy hoá và khử của các hệ vật liệu trên cơ sở g- CạNa, từ đó đề xuất được phạm vi ứng dụng các hệ vật liệu này trong các quá trình xử ly môi trường. Ô nhiễm thuốc kháng sinh trong môi trường nước đang là một vấn đề đang được quan tâm do quá trình sử dụng kháng sinh chưa được kiểm soát chặt chẽ ở một số quốc gia trên thé giới. Dư lượng khang sinh trong môi trường phát sinh chủ yêu từ nước thải bệnh, các trang trại chăn nuôi gia súc, gia cẦm, các đầm nuôi thuỷ. Thuốc kháng sinh có mặt trong môi trường nước có thê ảnh hưởng tới sức khỏe và sinh trưởng của các loài sinh vật sông trong môi trường nước và có thé khiến cho những vi khuẩn kháng lại các loại thuốc này sống sót và phát triển, gây ra nguy cơ tăng cao về sự xuất hiện của các vi khuẩn kháng thuốc.
Bên cạnh đó, việc kiểm soát sự phát thải khí nhà kính cũng đã và đang được tập trung nghiên cứu nhằm thích ứng và giảm thiêu các tác động của biến đổi khí hậu đối với cuộc sông của con người. Theo dữ liệu từ Mauna Loa Observatory, nông độ CO2 1 trong không khí đã tăng liên tục và đạt mức trên 426 ppm vao tháng 3 năm 2024, tăng hơn 45% ké từ thời điểm cuộc cách mạng công nghiệp bắt dau, chủ yếu do sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và phát thải từ các nguồn khác. Xuất phát từ những thành tựu về vật liệu quang xúc tác đã được công bố và thực trạng ô nhiễm môi trường do oxytetracycline và cacbon dioxit, Luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3Na, oxit kim loại (N-T1O2a, y-Fe203)/g-C3N4 và đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong quá trình phân huỷ Oxytetracycline và chuyên hoá Cacbon dioxit”, tập trung vào các nội dung chính: 1. Nghiên cứu tông hợp hệ xúc tác lai ghép giữa các hạt nano kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3Na với hiệu ứng “bay điện tử” va plasmon bề mặt và hệ vật liệu oxit kim loại (N-TiO2.s, y-Fe203)/g-C3Na với cơ chế xúc tác dạng Z.
Nghiên cứu đánh giá khả năng chuyển hoá Cacbon dioxit và phân huỷ Oxytetracycline của các hệ vật liệu và đề xuất cơ chế quang xúc tác. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là chế tạo ra hệ quang xúc tác trên cơ sở tận dụng hiệu ứng “bay điện tử” và hiệu ứng cộng hưởng plasmonic của các kim loại quý (Au, Ag, Pt) và cơ chế xúc tác dạng Z của các oxit kim loại (N-TiOa-s, y-FeaO3) mang trên g-C3N4 trong quá trình phân huỷ thuốc kháng sinh Oxytetracycline và chuyền hoá Cacbon dioxit thành các sản phâm hữu ich. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Hệ xúc tác kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3N4 và hệ xúc tác oxit kim loại (N-T1O23, y-FezOa)/g-CạNa trên cơ sở so sánh với hoạt tính quang xúc tác của g-CaN‹ tinh khiết. - Đối tượng xử lý là thuốc kháng sinh Oxytetracycline và khí Cacbon dioxit.
Pham vi nghién cứn: - Các hệ vật liệu được tổng hợp trong phạm vi phòng thi nghiệm bang phương pháp siêu âm kết hợp với thuỷ nhiệt. - Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các hệ vật liệu thông qua qua trình phan huỷ OTC và chuyên hoá CO> trong quy mô phòng thí nghiệm của Khoa Hoá học, Trường Dai học Khoa học tự nhiên — Đại học Quốc gia Hà Nội. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: cung cấp bằng chứng về khả năng phân hủy OTC và chuyên 2 hóa khí COa của các hệ vật liệu xúc tác quang bán dẫn thế hệ mới trên cơ sở cải thiện hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Kết quả đạt được này sẽ tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng hệ xúc tác kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3Na và hệ xúc tác oxit kim loại (N-TiOas, y-Fe203)/g-C3N4 có năng lượng vùng cam hẹp, hạn chế sự tái kết hợp cặp điện tử và lỗ trống quang sinh, tăng cường sự chuyền điện tich,.
trong lĩnh vực phân hủy chất hữu co ô nhiễm và chuyên hóa khí CO¿. - Ý nghĩa thực tiễn: cung cấp các quy trình chế tạo các vật liệu thế hệ mới gồm hệ xúc tac kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3Na và hệ xúc tác oxit kim loại (N-T1O23, y- FezOa)/g-CạNa dé phân hủy OTC và chuyên hóa khí CO> theo hướng xanh và bền vững, nhằm mục đích giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng sống của con người. TONG QUAN VE SU PHAT THAI CACBON DIOXIT VA CAC CHAT KHANG SINH TRONG MOI TRƯỜNG 1. Tổng quan về cacbon dioxit 1.
Cacbon dioxit (CO2) và sự gia tăng hiệu ứng nhà kính Cacbon dioxit (khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyên Trái Dat, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy, có công thức cau tạo là CO. CO; là một thành phần của không khí sạch, có mặt trong bầu khí quyên của Trái đất ở nồng độ thấp và không gây nguy hiểm cho con người và sinh vật. Thông thường, lượng CO2 sản sinh ra một cách tự nhiên cân bằng với lượng CO2 được sử dụng cho quang hợp. CO: là khí nhà kính đóng vai trò chủ yếu gây ra sự biến đổi khí hậu [36].
Theo báo cáo thường niên từ Phòng thí nghiệm giám sát toàn cầu của NOAA (2022), lượng cacbon dioxit trong khí quyền trung bình toàn cầu là 417,06 ppm vào năm 2022, lập mức cao kỷ lục mới. Mức tăng từ năm 2021 đến năm 2022 là 2,13 ppm - năm thứ I1 liên tiếp lượng cacbon dioxit trong khí quyền tăng hơn 2 ppm. CO: trong khí quyền hiện cao hơn 50% so với mức tiền công nghiệp. Các hoạt động của con người được ước tính đã gây ra sự nóng lên toàn cầu trung bình khoảng 1,0°C so với thời kỳ tiền công nghiệp, với phạm vi có thé dao động từ 0,8°C đến 1,2°C.
Sự nóng lên toàn cầu có khả năng đạt tới 1,5°C trong khoảng thời gian từ 2030 đến 2052 nếu hiện tượng nay tiếp tục điễn biến với tốc độ hiện tại [49]. Sự nóng lên của trái đất sẽ tiếp tục gây ra những thay đổi dài hạn đối với hệ thong khí hậu. Đã có rất nhiều nỗ lực nhằm cắt giảm sự phát thải CO› nhưng van dé này còn phụ thuộc vào khả năng đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu và năng lượng của các quốc gia cũng như khả năng khai thác các nguồn năng lượng thay thế. Do đó, hướng thu hồi, lưu trữ và chuyên hoá CO đã va đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu.
Một số biện pháp kiểm soát sự phát thải CO? a. Biện pháp chính sách Các Công ước quốc tế về chống biến đổi khí hậu và tăng cường các hành động cho một tương lai cacbon thấp bền vững đã đưa tất cả các quốc gia vào một sự nghiệp chung dé chống lại biến đồi khí hậu và thích ứng với các tác động của nó. Thỏa thuận 4 Paris được ra đời trên cơ sở sự nỗ lực của các Quốc gia thành viên Công ước khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu tại Hội nghị các bên thành viên ở Paris vào ngày 12/12/2015. Mục tiêu chung của Thoả thuận Paris là tăng cường phản ứng toàn cầu đối với mối de dọa của biến đổi khí hậu bang cách giữ mức tăng nhiệt độ toàn cầu trong thé kỷ này dưới 2°C so với mức tiền công nghiệp và theo đuôi các nỗ lực hạn chế sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa ở mức 1,5°C.
Biện pháp kỹ thuật % Thu hồi và lưu trữ CO? Thu hồi và lưu trữ cacbon (Carbon Capture and Storage — CCS) là công nghệ có thé thu được tới 90% lượng khí thai cacbon dioxit (CO2) được tạo ra từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong quá trình sản xuất điện và công nghiệp, ngăn chặn cacbon dioxit vào khí quyền [48]. Chuỗi CCS bao gồm ba phan: (1) thu giữ cacbon dioxit, (2) vận chuyên cacbon dioxit và (3) lưu trữ an toàn lượng khí thải cacbon dioxit dưới lòng đất trong các mỏ dầu và khí đốt đã cạn kiệt hoặc trong tầng chứa nước mặn sâu. Đầu tiên, các công nghệ thu giữ cho phép tách cacbon dioxit ra khỏi các khí được tạo ra trong các quá trình sản xuất điện và công nghiệp bằng một trong ba phương pháp: thu trước khi đốt, thu sau đốt và đốt nhiên liệu - oxy (oxyfuel). Cacbon dioxit sau đó được vận chuyên bang đường ống hoặc bang tàu dé lưu trữ an toàn.
Cacbon dioxit sau đó được lưu trữ trong các lớp kiến tao địa chất đã được khảo sát và lựa chon cân thận, thường nam cách bề mặt trái đất vài km. Quá trình thu hồi CO: có thé thực hiện bang phương pháp hap thụ khi nồng độ CO¿ tương đối thấp, phương pháp hấp phụ vật ly ở quy mô nhỏ, phương pháp phân tách bằng màng theo nhiều giai đoạn, phương pháp làm lạnh trong trường hợp dòng khí có nồng độ CO? cao (> 90%).