I. Giới thiệu về quang xúc tác
Quang xúc tác là một phương pháp tiên tiến trong việc chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học. Phương pháp này sử dụng các vật liệu xúc tác quang để kích thích phản ứng hóa học, từ đó tạo ra các sản phẩm có giá trị như hydrogen peroxide (H2O2). Vật liệu quang xúc tác như graphitic carbon nitride (CN) đã được chứng minh là có khả năng quang xúc tác tốt nhờ vào cấu trúc hai chiều và năng lượng vùng cấm phù hợp. Việc kết hợp vàng-grafit với CN tạo ra nanocomposite có khả năng nâng cao hiệu suất quang xúc tác, nhờ vào hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt (LSPR). Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và xử lý môi trường.
1.1. Tính chất của vật liệu quang xúc tác
Vật liệu quang xúc tác cần có các tính chất như diện tích bề mặt lớn, độ ổn định hóa học cao và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. Graphitic carbon nitride (CN) là một trong những vật liệu hứa hẹn nhờ vào cấu trúc độc đáo và khả năng tạo ra các gốc tự do trong quá trình quang xúc tác. Việc pha tạp các hạt nano vàng (AuNPs) lên bề mặt CN không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường khả năng quang xúc tác, từ đó nâng cao hiệu suất tạo ra H2O2.
II. Phương pháp tổng hợp nanocomposite vàng grafit carbon nitride
Nghiên cứu này sử dụng ba phương pháp tổng hợp chính để tạo ra nanocomposite vàng-grafit carbon nitride: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp khử hóa học bằng vitamin C và phương pháp quang hóa. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu cuối cùng. Phương pháp thủy nhiệt cho phép tạo ra các hạt nano vàng đồng nhất trên bề mặt CN, trong khi phương pháp khử hóa học sử dụng vitamin C giúp giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình tổng hợp. Phương pháp quang hóa lại tận dụng ánh sáng để kích thích phản ứng, tạo ra các sản phẩm có giá trị mà không cần sử dụng hóa chất độc hại.
2.1. Đánh giá ảnh hưởng của phương pháp tổng hợp
Mỗi phương pháp tổng hợp đều có ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng của vật liệu nanocomposite. Phương pháp thủy nhiệt thường tạo ra các hạt nano vàng có kích thước nhỏ và phân bố đồng đều, trong khi phương pháp khử hóa học có thể tạo ra các hạt lớn hơn nhưng với độ tinh khiết cao. Phương pháp quang hóa, mặc dù đơn giản, nhưng yêu cầu điều kiện ánh sáng thích hợp để đạt hiệu quả tối ưu. Việc so sánh các phương pháp này giúp xác định phương pháp tối ưu cho việc tổng hợp nanocomposite vàng-grafit carbon nitride với khả năng quang xúc tác tốt nhất.
III. Khả năng quang xúc tác của nanocomposite
Khả năng quang xúc tác của nanocomposite vàng-grafit carbon nitride được đánh giá thông qua tốc độ quang tạo H2O2. Kết quả cho thấy rằng nanocomposite được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có hiệu suất quang xúc tác cao nhất, nhờ vào sự phân bố đồng đều của các hạt nano vàng trên bề mặt CN. Điều này cho phép tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các gốc tự do cần thiết cho quá trình quang tạo H2O2. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong khả năng quang xúc tác của vật liệu.
3.1. Cơ chế quang tạo H2O2
Cơ chế quang tạo H2O2 từ nanocomposite vàng-grafit carbon nitride liên quan đến sự hấp thụ ánh sáng và tạo ra các gốc tự do. Khi ánh sáng chiếu vào vật liệu, các electron được kích thích và di chuyển từ vùng hóa trị đến vùng dẫn, tạo ra các lỗ trống. Các electron này có thể phản ứng với nước và oxy để tạo ra H2O2. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa kích thước và phân bố của các hạt nano vàng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang xúc tác, từ đó nâng cao khả năng tạo ra H2O2 trong các ứng dụng thực tiễn.
