Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với thách thức cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường, việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Hydrogen peroxide (H2O2) được xem là một hợp chất oxy hóa mạnh, thân thiện với môi trường, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực năng lượng và xử lý môi trường. Quá trình quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời để kích hoạt các chất xúc tác tạo ra H2O2 được đánh giá là phương pháp hiệu quả, chi phí thấp và không gây ô nhiễm thứ cấp.

Vật liệu graphitic carbon nitride (CN) nổi bật với đặc tính bán dẫn, diện tích bề mặt lớn, ổn định hóa học và chi phí sản xuất thấp, được ứng dụng rộng rãi trong quang xúc tác. Tuy nhiên, CN còn tồn tại hạn chế về hiệu suất quang xúc tác do diện tích bề mặt riêng hạn chế và sự tái tổ hợp nhanh của các cặp điện tử. Việc pha tạp các hạt nano vàng (AuNPs) lên bề mặt CN để tạo thành nanocomposite vàng/graphitic carbon nitride (AuCN) được kỳ vọng nâng cao hiệu quả quang xúc tác nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt (LSPR).

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của ba phương pháp tổng hợp AuCN gồm thủy nhiệt (HT), khử hóa học bằng vitamin C (VC), và quang hóa dưới ánh sáng khả kiến (Ir) đến đặc trưng vật liệu và khả năng quang tạo H2O2. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí, trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2024. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế quang tạo H2O2 và đề xuất phương pháp tổng hợp tối ưu cho vật liệu nanocomposite AuCN, mở ra hướng ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn: Quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), tạo ra các cặp electron (e–) và lỗ trống (h+). Các hạt tải điện này tham gia vào các phản ứng oxy hóa – khử trên bề mặt vật liệu, sinh ra các gốc tự do như •OH, •O2– và H2O2.

  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt (LSPR): Các hạt nano vàng (AuNPs) có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến nhờ hiệu ứng LSPR, tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang điện tử và cải thiện khả năng phân tách các cặp electron – lỗ trống trên vật liệu nanocomposite AuCN.

  • Mô hình cấu trúc nanocomposite AuCN: Sự pha tạp AuNPs lên bề mặt CN tạo ra hàng rào Schottky, giúp ngăn chặn sự tái tổ hợp electron – lỗ trống, đồng thời mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: graphitic carbon nitride (CN), nano vàng (AuNPs), quang xúc tác, hydrogen peroxide (H2O2), phương pháp thủy nhiệt (HT), khử hóa học bằng vitamin C (VC), quang hóa dưới ánh sáng khả kiến (Ir), và hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt (LSPR).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu CN được tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt từ melamine. Vật liệu nanocomposite AuCN được tổng hợp theo ba phương pháp: thủy nhiệt, khử hóa học bằng vitamin C, và quang hóa dưới ánh sáng khả kiến.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), phổ quang điện tử tia X (XPS), phổ hấp thu tử ngoại-khả kiến (UV-Vis), và phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định cấu trúc, thành phần, và tính chất quang học của vật liệu.

  • Phương pháp đánh giá khả năng quang xúc tác: Tốc độ quang tạo H2O2 được đo bằng phương pháp quang phổ UV-Vis dựa trên phản ứng với kali iodide (KI) và kali hydrophtalat (KHP), tính theo đơn vị mM/g.h.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi phương pháp tổng hợp được thực hiện với ba mẫu độc lập để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và phân tích đặc trưng được thực hiện trong 4 tháng (01-04/2024), đánh giá khả năng quang xúc tác và phân tích dữ liệu trong tháng 5/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp đến cấu trúc vật liệu:

    • XRD cho thấy vật liệu AuCN-HT có cấu trúc tinh thể rõ ràng với kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm, trong khi AuCN-VC và AuCN-Ir có kích thước hạt lớn hơn, lần lượt khoảng 25 nm và 30 nm.

    • Phổ FTIR và Raman xác nhận sự tồn tại của các nhóm chức năng đặc trưng của CN và sự pha tạp AuNPs, với AuCN-HT thể hiện mức độ liên kết mạnh mẽ hơn.

  2. Đặc trưng hình thái và phân bố nguyên tố:

    • SEM và EDS cho thấy AuNPs phân bố đồng đều trên bề mặt CN trong mẫu AuCN-HT, trong khi AuCN-VC và AuCN-Ir có sự phân bố không đồng đều và kích thước hạt lớn hơn.

    • Tỷ lệ vàng trong vật liệu AuCN-HT đạt khoảng 3,5% khối lượng, cao hơn so với 2,8% của AuCN-VC và 2,5% của AuCN-Ir.

  3. Tính chất quang học và năng lượng vùng cấm:

    • UV-Vis DRS cho thấy AuCN-HT có vùng hấp thụ ánh sáng mở rộng đến 600 nm, trong khi AuCN-VC và AuCN-Ir chỉ mở rộng đến khoảng 550 nm.

    • Năng lượng vùng cấm (Eg) của AuCN-HT được xác định khoảng 2,3 eV, thấp hơn so với 2,5 eV của AuCN-VC và 2,6 eV của AuCN-Ir, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn.

  4. Khả năng quang tạo H2O2:

    • Tốc độ quang tạo H2O2 của AuCN-HT đạt khoảng 0,85 mM/g.h, cao hơn 30% so với AuCN-VC (0,65 mM/g.h) và 45% so với AuCN-Ir (0,58 mM/g.h).

    • So với vật liệu CN nguyên bản, tốc độ quang tạo H2O2 của AuCN-HT tăng gấp 3 lần, chứng tỏ hiệu quả pha tạp AuNPs.

Thảo luận kết quả

Phương pháp thủy nhiệt (HT) tạo ra vật liệu AuCN có cấu trúc tinh thể tốt, kích thước hạt nano nhỏ và phân bố đồng đều, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng. Điều này dẫn đến hiệu suất quang tạo H2O2 cao nhất trong ba phương pháp. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp thủy nhiệt giúp kiểm soát tốt kích thước và phân bố hạt nano kim loại trên chất nền bán dẫn.

Phương pháp khử hóa học (VC) tuy đơn giản và dễ thực hiện nhưng tạo ra hạt AuNPs lớn hơn và phân bố không đồng đều, làm giảm hiệu quả quang xúc tác. Phương pháp quang hóa (Ir) có ưu điểm thân thiện môi trường nhưng hiệu suất thấp hơn do khó kiểm soát kích thước hạt và phân bố.

Biểu đồ so sánh tốc độ quang tạo H2O2 giữa các mẫu có thể minh họa rõ sự khác biệt hiệu suất, đồng thời bảng tổng hợp đặc trưng vật liệu giúp làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác.

Kết quả nghiên cứu khẳng định vai trò quan trọng của phương pháp tổng hợp trong việc điều chỉnh đặc trưng vật liệu nanocomposite AuCN, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang xúc tác tạo H2O2.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ưu tiên sử dụng phương pháp thủy nhiệt (HT) trong tổng hợp AuCN: Để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất, cần áp dụng phương pháp thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ 180°C trong 4 giờ, đảm bảo kích thước hạt nano nhỏ và phân bố đồng đều.

  2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng: Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của thời gian, nồng độ tiền chất và pH dung dịch trong quá trình tổng hợp để nâng cao chất lượng vật liệu và hiệu suất quang xúc tác.

  3. Phát triển quy mô sản xuất: Xây dựng quy trình tổng hợp AuCN theo phương pháp thủy nhiệt có thể mở rộng quy mô công nghiệp, hướng tới ứng dụng trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng sạch.

  4. Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng thực tế: Thử nghiệm vật liệu AuCN trong các hệ thống quang xúc tác xử lý nước thải hoặc sản xuất H2O2 quy mô lớn để đánh giá hiệu quả và tính khả thi.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và phân tích vật liệu nanocomposite cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposite AuCN, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ năng lượng sạch: Thông tin về khả năng quang tạo H2O2 của AuCN hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và pin nhiên liệu.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và xử lý môi trường: Cơ sở dữ liệu về phương pháp tổng hợp và hiệu suất quang xúc tác giúp cải tiến sản phẩm và quy trình sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ xanh, thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp tổng hợp nào cho hiệu suất quang xúc tác cao nhất?
    Phương pháp thủy nhiệt (HT) tạo ra vật liệu AuCN có kích thước hạt nhỏ, phân bố đồng đều và năng lượng vùng cấm thấp, dẫn đến tốc độ quang tạo H2O2 cao nhất khoảng 0,85 mM/g.h.

  2. Tại sao pha tạp nano vàng lại cải thiện hiệu quả quang xúc tác của CN?
    Nano vàng tạo hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt (LSPR), tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến và cải thiện phân tách electron – lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  3. Các kỹ thuật nào được sử dụng để phân tích đặc trưng vật liệu?
    Nhiễu xạ tia X (XRD), phổ FTIR, phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), phổ quang điện tử tia X (XPS), phổ UV-Vis và UV-Vis DRS.

  4. Khả năng ứng dụng của vật liệu AuCN trong thực tế là gì?
    Vật liệu AuCN có thể ứng dụng trong xử lý nước thải, sản xuất H2O2 xanh, pin nhiên liệu và các thiết bị năng lượng tái tạo nhờ hiệu suất quang xúc tác cao và tính ổn định.

  5. Có thể mở rộng quy mô sản xuất vật liệu AuCN không?
    Phương pháp thủy nhiệt với điều kiện phản ứng ổn định và thiết bị đơn giản có thể được phát triển quy mô công nghiệp, phù hợp với sản xuất vật liệu xúc tác quang.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite vàng/graphitic carbon nitride (AuCN) bằng ba phương pháp thủy nhiệt, khử hóa học và quang hóa.
  • Phương pháp thủy nhiệt cho vật liệu AuCN có cấu trúc tinh thể tốt, kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều, dẫn đến hiệu suất quang tạo H2O2 cao nhất (0,85 mM/g.h).
  • Các phương pháp phân tích hiện đại đã xác định rõ ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp đến đặc trưng vật liệu và khả năng quang xúc tác.
  • Cơ chế quang tạo H2O2 được đề xuất dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt và sự phân tách hiệu quả các cặp electron – lỗ trống.
  • Đề xuất áp dụng phương pháp thủy nhiệt trong tổng hợp AuCN để phát triển các ứng dụng năng lượng sạch và xử lý môi trường, đồng thời khuyến khích nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các dự án ứng dụng vật liệu AuCN trong công nghiệp năng lượng và môi trường.