Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp nhanh chóng, lượng chất thải hữu cơ và hóa học ngày càng gia tăng, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước. Thuốc nhuộm methylene blue (MB) là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước thải công nghiệp, đặc biệt từ ngành dệt may, với tính chất khó phân hủy sinh học và độc tính cao, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường. Do đó, việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để xử lý MB dưới ánh sáng tự nhiên là một nhu cầu cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/GO pha tạp nitrogen (ZnO/GO–N) bằng phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không, nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 9/2023 đến tháng 6/2024. Mục tiêu chính là tổng hợp vật liệu ZnO/GO–N, khảo sát đặc trưng cấu trúc, tính chất quang và đánh giá khả năng phân hủy MB dưới ánh sáng mặt trời.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường, chi phí thấp, tận dụng năng lượng mặt trời để xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Hiệu suất xử lý MB được đánh giá qua các chỉ số hấp thụ UV-Vis, với khả năng phân hủy thuốc nhuộm đạt hiệu quả cao, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp xử lý nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế quang xúc tác của ZnO: Khi ZnO hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn band-gap (~3,37 eV), cặp electron-lỗ trống được tạo ra trên bề mặt, tham gia phản ứng oxy hóa các chất ô nhiễm qua gốc hydroxyl (•OH) và gốc superoxide (•O2−). Tuy nhiên, ZnO có vùng hấp thụ ánh sáng hẹp và dễ tái hợp electron-lỗ trống, làm giảm hiệu suất quang xúc tác.

  • Vai trò của oxit graphene (GO): GO với diện tích bề mặt lớn (~2600 m²/g) và các nhóm chức oxy hóa giúp tăng khả năng hấp phụ, giảm tái hợp electron-lỗ trống, đồng thời tăng cường truyền tải điện tử, nâng cao hiệu quả quang xúc tác khi kết hợp với ZnO.

  • Tác động của pha tạp nitrogen: Nitrogen được pha tạp vào cấu trúc ZnO giúp thu hẹp vùng cấm, tăng độ linh động của electron, giảm tái hợp và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không giúp nitrogen gắn kết hiệu quả trên bề mặt ZnO/GO.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác, band-gap, electron-lỗ trống, vật liệu nanocomposite, pha tạp nitrogen, hấp phụ thuốc nhuộm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến; ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt; vật liệu ZnO/GO được tổng hợp thủy nhiệt; vật liệu ZnO/GO–N được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không với urea làm nguồn nitrogen.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng cấu trúc và hình thái vật liệu được khảo sát bằng SEM, EDX, XRD, FTIR, Raman, PL và UV-Vis. Hiệu suất quang xúc tác được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue dưới ánh sáng mặt trời, đo bằng phổ UV-Vis.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu vật liệu được tổng hợp với kích thước nano đồng nhất, gồm ZnO, ZnO/GO và ZnO/GO–N ở các nhiệt độ nung 300, 400, 500 °C. Mỗi mẫu được đánh giá lặp lại để đảm bảo tính chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu từ tháng 9/2023 đến tháng 6/2024; đánh giá quang xúc tác thực hiện trong tháng 2/2024 tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu ZnO/GO–N: Qua phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không, vật liệu nanocomposite ZnO/GO được pha tạp nitrogen hiệu quả, với hàm lượng nitrogen tăng theo nhiệt độ nung (300–500 °C). Kích thước tinh thể ZnO được xác định qua XRD dao động khoảng 20–30 nm.

  2. Đặc trưng cấu trúc và hình thái: SEM cho thấy ZnO phân bố đồng đều trên bề mặt GO, không bị kết tụ lớn. Phổ Raman và FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức oxy và nitrogen trên bề mặt vật liệu. PL cho thấy thời gian tái tổ hợp electron-lỗ trống giảm đáng kể ở mẫu ZnO/GO–N so với ZnO đơn lẻ, tăng hiệu quả quang xúc tác.

  3. Hiệu suất phân hủy methylene blue: Mẫu ZnO/GO–N nung ở 500 °C (ZGN5) đạt hiệu suất phân hủy MB lên đến khoảng 95% sau 60 phút chiếu sáng tự nhiên, cao hơn 20% so với ZnO/GO và gấp đôi so với ZnO đơn lẻ. Hiệu suất hấp phụ và phân hủy MB được duy trì trên 85% sau 3 lần tái sử dụng.

  4. Ảnh hưởng nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung cao hơn giúp tăng hàm lượng nitrogen và cải thiện khả năng quang xúc tác, tuy nhiên vượt quá 500 °C có thể làm giảm hiệu suất do biến đổi cấu trúc vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả quang xúc tác tăng là do sự pha tạp nitrogen làm thu hẹp band-gap ZnO, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái hợp electron-lỗ trống. Sự kết hợp với GO giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện truyền tải điện tử và hấp phụ MB. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu ZnO/GO–N, đồng thời cho thấy phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không là cách tiếp cận hiệu quả để pha tạp nitrogen.

Biểu đồ PL và UV-Vis minh họa rõ sự khác biệt về thời gian tái tổ hợp và hiệu suất phân hủy MB giữa các mẫu. Bảng so sánh hiệu suất xử lý MB cho thấy ZnO/GO–N vượt trội so với các vật liệu tiền chất. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường, chi phí thấp, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi vật liệu ZnO/GO–N trong xử lý nước thải: Khuyến nghị các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt ngành dệt may, áp dụng vật liệu này để phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí năng lượng.

  2. Tối ưu quy trình tổng hợp: Đề xuất nghiên cứu thêm về điều kiện nhiệt độ nung và thời gian để tối ưu hàm lượng nitrogen, đảm bảo hiệu suất quang xúc tác cao nhất trong vòng 1 năm tới.

  3. Phát triển thiết bị quang xúc tác sử dụng ánh sáng tự nhiên: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển thiết bị ứng dụng vật liệu ZnO/GO–N, tận dụng ánh sáng mặt trời, giảm thiểu sử dụng nguồn năng lượng nhân tạo.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Đề xuất khảo sát khả năng xử lý các chất ô nhiễm khác như ion kim loại nặng, vi khuẩn trong nước, nhằm đa dạng hóa ứng dụng của vật liệu nanocomposite ZnO/GO–N.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật vật liệu: Có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite, kỹ thuật phân tích vật liệu và ứng dụng quang xúc tác.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu ZnO/GO–N trong công nghệ xử lý nước thải công nghiệp, nâng cao hiệu quả xử lý thuốc nhuộm và các chất ô nhiễm hữu cơ.

  3. Cơ quan quản lý môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước.

  4. Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị quang xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ZnO/GO–N có ưu điểm gì so với ZnO truyền thống?
    ZnO/GO–N có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, giảm tái hợp electron-lỗ trống nhờ sự pha tạp nitrogen và sự hỗ trợ của GO, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm.

  2. Phương pháp tổng hợp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không có lợi ích gì?
    Phương pháp này giúp nitrogen gắn kết hiệu quả trên bề mặt vật liệu, hạn chế sự có mặt của oxy gây cản trở truyền điện tử, đồng thời kiểm soát tốt cấu trúc vật liệu ở nhiệt độ cao.

  3. Hiệu suất phân hủy methylene blue của vật liệu đạt được là bao nhiêu?
    Mẫu ZnO/GO–N nung ở 500 °C đạt hiệu suất phân hủy MB khoảng 95% sau 60 phút chiếu sáng tự nhiên, cao hơn nhiều so với ZnO đơn lẻ và ZnO/GO không pha tạp.

  4. Vật liệu có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu ZnO/GO–N duy trì hiệu suất trên 85% sau 3 lần tái sử dụng, cho thấy tính ổn định và bền vững trong ứng dụng thực tế.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này để xử lý các chất ô nhiễm khác không?
    Có, vật liệu có tiềm năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác, ion kim loại nặng và vi khuẩn nhờ cơ chế quang xúc tác mạnh mẽ, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để đánh giá hiệu quả cụ thể.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite ZnO/GO pha tạp nitrogen bằng phương pháp nhiệt bay hơi trong môi trường chân không với kích thước tinh thể nano đồng nhất.
  • Vật liệu ZnO/GO–N thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, giảm tái hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy methylene blue dưới ánh sáng tự nhiên.
  • Hiệu suất phân hủy MB đạt khoảng 95% sau 60 phút, vượt trội so với vật liệu ZnO và ZnO/GO không pha tạp.
  • Nhiệt độ nung ảnh hưởng rõ rệt đến hàm lượng nitrogen và hiệu quả quang xúc tác, với 500 °C là điều kiện tối ưu trong nghiên cứu.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp và phát triển thiết bị quang xúc tác thân thiện môi trường.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng khảo sát ứng dụng và phát triển thiết bị ứng dụng thực tiễn. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.