I. Tổng quan đề tài LVTN Trần Anh Quyết 1712874
Đề tài nghiên cứu của sinh viên Trần Anh Quyết thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM. Công trình do Giáo sư Tiến sĩ Khoa học Lưu Cẩm Lộc trực tiếp hướng dẫn. Trọng tâm nghiên cứu xoay quanh vật liệu xúc tác quang TiO2 biến tính CeO2. Hợp chất này được ứng dụng để quang phân hủy axit cinnamic trong môi trường chất lỏng. Quá trình xử lý chất ô nhiễm hữu cơ bằng quang hóa đang thu hút nhiều sự quan tâm. Nhu cầu làm sạch nguồn nước đòi hỏi các vật liệu xúc tác có hiệu năng cao. Xúc tác TiO2 truyền thống có nhiều ưu điểm vượt trội. Vật liệu này không độc hại, độ bền hóa học cao và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, TiO2 cần cải biến cấu trúc để mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng. Đề tài đã giải quyết vấn đề bằng cách đưa oxit xeri vào mạng lưới tinh thể. Kết quả mang lại triển vọng lớn trong công nghệ xử lý môi trường hiện đại. Toàn bộ quy trình chế tạo tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật thực nghiệm. Các dữ liệu đo đạc cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho ngành kỹ thuật chế biến dầu khí.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu và thông tin đề tài
Luận văn được hoàn thành vào tháng 6 năm 2021 tại Bộ môn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí. Tác giả Trần Anh Quyết thực hiện nghiên cứu dưới sự bảo trợ chuyên môn từ giảng viên hướng dẫn. Bối cảnh thực tế cho thấy ô nhiễm chất hữu cơ trong nước thải công nghiệp ngày càng phức tạp. Axit cinnamic là một hợp chất thơm khó phân hủy sinh học thông thường. Nhu cầu tìm kiếm giải pháp oxy hóa nâng cao trở nên vô cùng cấp bách. Đề tài tập trung khai thác tiềm năng của vật liệu nano oxit kim loại kép. Nghiên cứu kết hợp hai thành phần TiO2 và CeO2 để tạo ra hiệu ứng cộng hưởng quang hóa. Công trình thể hiện tính thời sự cao trong bối cảnh kiểm soát môi trường.
1.2. Mục tiêu và phạm vi thực hiện nhiệm vụ
Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là tổng hợp hệ xúc tác TiO2 biến tính CeO2 đạt chất lượng cao. Tác giả khảo sát chi tiết ảnh hưởng của hàm lượng chất biến tính đến hoạt tính quang hóa. Quá trình thí nghiệm đánh giá vai trò của các thông số vận hành như lưu lượng khí và pH dung dịch. Phản ứng phân hủy axit cinnamic được theo dõi liên tục để xác định động học quá trình. Nghiên cứu làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và khả năng quang phân hủy. Phạm vi đề tài bao gồm việc phân tích cấu trúc vật liệu bằng các kỹ thuật hiện đại. Các kết quả giúp định hình cơ chế xúc tác một cách rõ ràng và chính xác.
II. Phân tích hạn chế xúc tác trong LVTN Trần Anh Quyết 1712874
Vật liệu TiO2 dạng nguyên bản tồn tại hai nhược điểm cốt lõi cản trở ứng dụng thực tế. Đầu tiên, độ rộng vùng cấm của TiO2 tương đối lớn, dao động quanh mức 3,2 eV. Mức năng lượng này khiến vật liệu chỉ hấp thụ bức xạ trong vùng tử ngoại UV. Trong khi đó, tia UV chỉ chiếm dưới 5% tổng năng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất. Hơn 95% quang phổ ánh sáng khả kiến và hồng ngoại chưa được khai thác hiệu quả. Hạn chế thứ hai là tốc độ tái kết hợp nhanh của các cặp electron và lỗ trống quang sinh. Khi bị kích thích bởi photon, các hạt tải điện dễ dàng gặp nhau và triệt tiêu. Hiện tượng này làm sụt giảm nghiêm trọng hiệu suất lượng tử của phản ứng quang xúc tác. Mặt khác, phân tử axit cinnamic có cấu trúc vòng thơm bền vững, khó bị bẻ gãy. Nếu không có chất xúc tác phù hợp, phản ứng quang phân hủy diễn ra rất chậm. Việc biến tính bề mặt và cấu trúc pha tạp là yêu cầu kỹ thuật tất yếu. Sự kết hợp với CeO2 tạo ra bẫy điện tích, kéo dài thời gian sống của các hạt mang điện tự do.
2.1. Hạn chế quang học của titan dioxit nguyên bản
Titan dioxit có cấu trúc tinh thể anatase hoặc rutile với vùng cấm năng lượng rộng. Đặc tính này giới hạn vùng hấp thụ quang phổ trong khoảng bước sóng nhỏ hơn 388 nm. Ánh sáng mặt trời tự nhiên chứa phần lớn quang phổ khả kiến không thể kích hoạt vật liệu này. Việc phụ thuộc vào nguồn đèn UV nhân tạo làm gia tăng chi phí vận hành trong xử lý nước thải. Ngoài ra, bề mặt tiếp xúc của vật liệu chưa qua xử lý thường có độ hấp phụ chất hữu cơ hạn chế. Khả năng tương tác giữa chất phản ứng và tâm hoạt tính bề mặt vì thế bị suy giảm. Những rào cản vật lý này đòi hỏi các giải pháp biến tính pha tạp oxit chuyển tiếp.
2.2. Cơ chế tái kết hợp điện tích và rào cản phân hủy
Quá trình quang hóa sinh ra các electron tự do ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị. Tuy nhiên, thời gian sống của các hạt tải điện này diễn ra cực kỳ ngắn. Chúng nhanh chóng tái kết hợp và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Sự tái kết hợp làm giảm mật độ các gốc tự do oxy hóa mạnh như hydroxyl và superoxide. Axit cinnamic là hợp chất hữu cơ có liên kết liên hợp bền vững. Năng lượng oxy hóa yếu không thể phá vỡ hoàn toàn vòng thơm của phân tử chất ô nhiễm. Điều này dẫn đến sự tích tụ các sản phẩm trung gian có thể gây độc hại. Do đó, việc ngăn chặn tái kết hợp điện tích là mục tiêu then chốt của nghiên cứu.
III. Giải pháp điều chế xúc tác LVTN Trần Anh Quyết 1712874
Nghiên cứu áp dụng phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt để tổng hợp hệ xúc tác TiO2 biến tính CeO2. Kỹ thuật này giúp phân tán đồng đều các hạt CeO2 lên bề mặt nền TiO2. Phương pháp sol-gel tạo ra mạng lưới liên kết đồng nhất từ các tiền chất hóa học ở cấp độ phân tử. Quá trình thủy nhiệt tiếp theo kiểm soát kích thước hạt nano và độ kết tinh của vật liệu. Sự hiện diện của xeri giúp tạo ra mức năng lượng phụ trong vùng cấm. Điều này thu hẹp khoảng cách dải quang phổ, dịch chuyển khả năng hấp thụ về vùng ánh sáng khả kiến. Đồng thời, các ion Ce3+ và Ce4+ đóng vai trò bẫy giữ electron hiệu quả. Chúng ngăn chặn sự tái kết hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh. Hoạt tính xúc tác được khảo sát thông qua phản ứng phân hủy axit cinnamic trong bình phản ứng quang hóa. Tác giả tiến hành tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp CeO2, tốc độ sục khí oxy và giá trị pH môi trường. Phép phân tích phổ hồng ngoại IR và nhiễu xạ tia X chứng minh sự hình thành cấu trúc tinh thể mong muốn.
3.1. Quy trình sol gel kết hợp xử lý thủy nhiệt
Quy trình tổng hợp bắt đầu từ việc chuẩn bị tiền chất titan và muối xeri nitrat trong dung môi phù hợp. Phản ứng thủy phân và ngưng tụ diễn ra có kiểm soát để tạo thành thể sol ổn định. Quá trình chuyển hóa từ sol sang gel hình thành khung không gian mạng oxit vô cơ. Hỗn hợp sau đó được chuyển vào bình phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt độ và áp suất xác định. Môi trường thủy nhiệt thúc đẩy quá trình kết tinh pha anatase với kích thước hạt đồng đều. Vật liệu rắn thu được sau đó được rửa sạch, sấy khô và nung ở nhiệt độ tối ưu. Quy trình này bảo đảm diện tích bề mặt riêng lớn và độ tinh khiết cao của sản phẩm xúc tác.
3.2. Đánh giá đặc trưng vật liệu bằng phổ hồng ngoại IR
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier IR được sử dụng để xác định các liên kết hóa học đặc trưng trong mẫu vật liệu. Phép đo ghi nhận các dao động hóa trị và dao động biến dạng của liên kết Ti-O-Ti và Ti-O-Ce. Vùng số sóng từ 4000 cm-1 đến 400 cm-1 phản ánh rõ nét các nhóm chức bề mặt. Đỉnh hấp thụ đặc trưng của nhóm hydroxyl liên kết trên bề mặt xúc tác xuất hiện rõ ràng. Các nhóm hydroxyl này đóng vai trò quyết định trong việc bẫy lỗ trống để tạo gốc tự do oxy hóa. Phổ IR xác nhận sự phân tán thành công của pha CeO2 vào nền mạng TiO2 mà không phá hủy cấu trúc cơ bản.
IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn LVTN Trần Anh Quyết 1712874
Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn to lớn cho ngành xử lý môi trường. Việc biến tính TiO2 bằng CeO2 đã cải thiện đáng kể hiệu suất quang phân hủy axit cinnamic. Vật liệu tổng hợp thể hiện khả năng hoạt động ổn định và bền vững dưới các điều kiện chiếu xạ khác nhau. Các sản phẩm phân hủy chuyển hóa hoàn toàn thành CO2, nước và các hợp chất vô cơ vô hại. Hệ xúc tác này mở ra hướng tiếp cận mới trong việc xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ độc hại. Công nghệ có tiềm năng áp dụng quy mô lớn tại các nhà máy lọc hóa dầu và xí nghiệp dược phẩm. Quá trình vận hành không đòi hỏi hóa chất bổ sung đắt tiền và không tạo ra bùn thải thứ cấp. Vật liệu có thể tái thu hồi và tái sử dụng qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp. Kết quả từ luận văn đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu chuyển giao công nghệ tương lai. Đề tài khẳng định năng lực nghiên cứu ứng dụng chất lượng cao của sinh viên Bách Khoa.
4.1. Hiệu quả phân hủy axit cinnamic trong môi trường nước
Kết quả thực nghiệm cho thấy tỷ lệ phân hủy axit cinnamic đạt hiệu suất cao vượt trội so với mẫu đối chứng. Quá trình quang xúc tác bẻ gãy liên kết liên hợp của axit cinnamic nhanh chóng. Nồng độ chất ô nhiễm hữu cơ trong dung dịch giảm mạnh theo thời gian phản ứng. Việc sục khí oxy cung cấp tác nhân nhận electron, thúc đẩy tạo thành gốc superoxide. Môi trường pH tối ưu giúp tăng cường lực hút tĩnh điện giữa phân tử chất tan và bề mặt hạt xúc tác. Hoạt tính ổn định duy trì sau nhiều lần rửa và tái sử dụng mà không suy giảm đáng kể. Điều này khẳng định độ bền cơ học và hóa học của vật liệu biến tính.
4.2. Triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp
Vật liệu TiO2 biến tính CeO2 có tiềm năng thương mại hóa cao trong công nghệ xử lý nước thải công nghiệp. Khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên giúp tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ cho hệ thống. Mô hình quang xúc tác dị thể này phù hợp để tích hợp vào các trạm xử lý nước thải hiện hữu. Hệ thống vận hành ở điều kiện thường, không sinh ra chất thải nguy hại thứ cấp. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho các ngành sản xuất hóa chất, dược phẩm và chế biến dầu khí. Đây là giải pháp xanh góp phần bảo vệ tài nguyên nước và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.
