I. Titanium dioxide
Titanium dioxide (TiO2) là một chất bán dẫn phổ biến được sử dụng rộng rãi trong quang xúc tác nhờ tính chất ổn định hóa học, không độc hại và khả năng oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, TiO2 có vùng cấm rộng (3.2 eV), chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng UV, hạn chế ứng dụng thực tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện hiệu suất quang xúc tác của TiO2 bằng cách kết hợp với Zinc ferrite (ZnFe2O4), một chất bán dẫn có vùng cấm hẹp, nhạy với ánh sáng khả kiến.
1.1 Cấu trúc và tính chất của Titanium dioxide
Titanium dioxide tồn tại dưới ba dạng tinh thể: anatase, rutile và brookite. Trong đó, anatase và rutile là hai dạng chính được sử dụng trong quang xúc tác. Anatase có vùng cấm 3.2 eV, trong khi rutile có vùng cấm 3.0 eV. Cả hai dạng này đều có khả năng oxy hóa mạnh, nhưng chỉ hiệu quả dưới ánh sáng UV.
1.2 Hoạt tính quang xúc tác của Titanium dioxide
TiO2 được biết đến với khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thông qua quá trình oxy hóa quang xúc tác. Tuy nhiên, do vùng cấm rộng, TiO2 chỉ hấp thụ được khoảng 5% ánh sáng mặt trời, chủ yếu trong vùng UV. Điều này làm giảm hiệu quả ứng dụng thực tế, đặc biệt trong xử lý nước thải công nghiệp.
II. Zinc ferrite
Zinc ferrite (ZnFe2O4) là một vật liệu spinel có cấu trúc lập phương, với vùng cấm hẹp (~2 eV), nhạy với ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, ZnFe2O4 có thế hóa trị thấp và khả năng chuyển đổi quang điện kém, hạn chế ứng dụng trực tiếp trong quang xúc tác. Nghiên cứu này đề xuất việc kết hợp ZnFe2O4 với TiO2 để tạo ra vật liệu lai có khả năng hấp thụ cả ánh sáng UV và khả kiến.
2.1 Tính chất của Zinc ferrite
ZnFe2O4 có cấu trúc spinel, với tính chất từ tính và độ ổn định hóa học cao. Vật liệu này được tổng hợp bằng nhiều phương pháp như thủy nhiệt, sol-gel và đồng kết tủa. Tuy nhiên, do thế hóa trị thấp, ZnFe2O4 không thể sử dụng trực tiếp để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.
2.2 Ứng dụng của Zinc ferrite trong quang xúc tác
Mặc dù có hạn chế, ZnFe2O4 vẫn được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khi kết hợp với TiO2, ZnFe2O4 có thể cải thiện hiệu suất quang xúc tác bằng cách mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái hợp electron-lỗ trống.
III. Quang xúc tác và phân hủy Methyl orange
Quá trình quang xúc tác sử dụng ánh sáng UV và khả kiến để kích hoạt chất bán dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống, từ đó phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như Methyl orange (MO). Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của vật liệu lai TiO2@ZnFe2O4 trong việc phân hủy MO dưới cả ánh sáng UV và khả kiến.
3.1 Phân hủy Methyl orange dưới ánh sáng UV
Kết quả thí nghiệm cho thấy TiO2@ZnFe2O4 có khả năng phân hủy MO hiệu quả dưới ánh sáng UV, với hiệu suất cao hơn so với TiO2 thương mại (P25). Điều này chứng tỏ việc kết hợp ZnFe2O4 đã cải thiện hoạt tính quang xúc tác của TiO2.
3.2 Phân hủy Methyl orange dưới ánh sáng khả kiến
Dưới ánh sáng khả kiến, TiO2@ZnFe2O4 cũng thể hiện khả năng phân hủy MO đáng kể, nhờ vùng cấm hẹp của ZnFe2O4. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu lai trong xử lý nước thải công nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời.
IV. Tổng hợp và đặc tính vật liệu
Vật liệu lai TiO2@ZnFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, với kích thước hạt trung bình từ 25-30 nm. Các đặc tính của vật liệu được phân tích bằng XRD, TEM và UV-Vis spectroscopy, cho thấy sự chuyển pha từ anatase sang rutile và sự dịch chuyển vùng hấp thụ sang phổ khả kiến.
4.1 Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp ZnFe2O4 và TiO2@ZnFe2O4, đảm bảo độ tinh khiết và đồng nhất của vật liệu. Kết quả XRD cho thấy sự hình thành pha spinel và sự chuyển pha của TiO2.
4.2 Đặc tính quang học và hình thái học
Kết quả UV-Vis spectroscopy cho thấy vùng hấp thụ của TiO2@ZnFe2O4 dịch chuyển sang phổ khả kiến, trong khi TEM xác nhận kích thước hạt nhỏ và phân bố đều. Điều này góp phần cải thiện hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.
V. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của vật liệu lai TiO2@ZnFe2O4 trong việc xử lý nước thải công nghiệp chứa Methyl orange. Vật liệu này không chỉ hiệu quả dưới ánh sáng UV mà còn hoạt động tốt dưới ánh sáng khả kiến, mở ra hướng ứng dụng mới trong environmental remediation.
5.1 Xử lý nước thải công nghiệp
Vật liệu lai TiO2@ZnFe2O4 có thể được sử dụng để phân hủy các chất nhuộm hữu cơ trong nước thải công nghiệp, giảm thiểu tác động môi trường. Khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.
5.2 Hướng nghiên cứu tương lai
Nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của TiO2@ZnFe2O4 trong các lĩnh vực khác như xử lý khí thải và sản xuất năng lượng sạch.
