CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giải pháp bền vững cho vấn đề cạn kiệt năng lượng Trong những năm trở lại đây, tình trạng khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên không thể tái tạo quá mức đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Bên cạnh sự phát triển không ngừng của các nền kinh tế là nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong bối cảnh quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa ngày càng phát triển như hiện nay. Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên đang bị cạn kiệt và khó khai thác dẫn đến sự cạnh tranh làm tăng giá thành gây nhiều tác động tiêu cực dẫn đến suy thoái môi trường, bao gồm chất thải nhà kính và phá hủy môi trường sống tự nhiên của nhiều loài sinh vật.
Do đó, các nhà khoa học đang cần phải tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, tái tạo và hiệu quả hơn để đáp ứng nhu cầu của xã hội mà không gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường [1], [2], [3]. Trong bối cảnh này, hydrogen peroxide (H2O2) được công nhận là một hợp chất oxy hóa mạnh có thể đóng góp vào giải pháp bền vững cho vấn đề này. Các ứng dụng của H2O2 trong lĩnh vực năng lượng đang được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về các giải pháp năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường [4]. Bên cạnh đó, H2O2 hoạt động như một chất oxy hóa hoặc chất khử mạnh tùy theo điều kiện mà có thể sử dụng để loại bỏ các loại hợp chất vô cơ và hữu cơ tồn tại trong môi trường nước [5].
Giới thiệu Hydrogen peroxide (H2O2) là một trong những hóa chất xanh cơ bản quan trọng, thân thiện với môi trường, và được ứng dụng cho trong năng lượng và xử lý môi trường. Công thức hóa học gồm hai nguyên tử hydro (H) và hai nguyên tử oxy (O), tương tự như nước (H2O) nhưng với một nguyên tử oxy (O) bổ sung. H2O2 còn được gọi là nước oxy già, là một chất lỏng không màu có tính oxy hóa mạnh và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau bao gồm chất tẩy trắng, chất khử trùng, và chất oxy hóa, v. Đáng chú ý, khi phân hủy H2O2 tạo ra chủ yếu là các sản phẩm thân thiện với môi trường như H2O và O2, giảm thiểu tối đa nguồn ô nhiễm môi trường [6].
3 Tính chất vật lý và hóa học của H2O2 như: – Khối lượng riêng M = 34,0147 g/mol; – Điểm sôi khoảng 150,2C (302F); – Nhiệt độ nóng chảy - 0,43C; – Tỷ trọng cao hơn nước (1,45 g/cm3 so với 1 g/cm3 của nước); – Là một chất oxy hóa có khả năng phân hủy mạnh mẽ tạo thành H2O và O2 trong quá trình phản ứng. Ngoài ra, H2O2 cũng có tính chất ăn mòn và có thể gây cháy khi tiếp xúc với nhiều chất hữu cơ hoặc chất dễ cháy. Công thức H2O2 được thể hiện ở Hình 1.1: Công thức phân tử (a) và cấu tạo (b) của H2O2 1. Ứng dụng Sử dụng H2O2 như một hợp chất oxy hóa mạnh có thể giúp giảm tác động tiêu cực đến nguồn năng lượng truyền thống và giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra các giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.
Một số ứng dụng của H2O2 trong lĩnh vực khác nhau như y tế, công nghiệp, năng lượng, và xử lý môi trường, v. Ở lĩnh vực y tế, H2O2 có khả năng diệt khuẩn và kháng vi khuẩn để làm sạch vết thương, vệ sinh miệng, khử trùng các bề mặt và dụng cụ y tế. Trong công nghiệp, H2O2 là một chất tẩy trắng mạnh được ứng dụng làm trắng bột giấy và trong ngành công nghiệp dệt để làm trắng vải. Một trong những ứng dụng đang hướng tới của H2O2 là ứng dụng để xử lý nước ô nhiễm, để loại bỏ các chất gây mùi và màu trong nước [4].
Ngoài ra, H2O2 có thể được sử dụng trong các quá trình sản xuất năng lượng 4 tái tạo như pin nhiên liệu (fuel cell) được sử dụng như chất oxy hóa để tạo ra điện từ phản ứng với H2 [7]. Công nghệ sản xuất Ở quy mô công nghiệp, phương pháp anthraquinone (AQ, C14H8O2) được sử dụng để sản xuất H2O2. Công nghệ này dựa trên quá trình oxy hóa AQ bằng khí ozone (O3) trong môi trường acid để tạo ra một chất trung gian, sau đó chất trung gian được khử bằng natri hydroxit (NaOH) để tạo ra H2O2 và C14H8O2 tái sinh. Tuy nhiên, quy trình này có nhược điểm là làm tăng đáng kể chi phí sản xuất H2O2 do tiêu thụ nhiều năng lượng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
Vấn đề này đặt ra thách thức và động lực thúc đẩy các nhà khoa học tìm ra các phương pháp mới để sản xuất H2O2 giảm thiểu mức năng lượng tiêu thụ [8]. Về mặt lý thuyết, H2O2 có thể được sản xuất thông qua quá trình quang xúc tác, một phản ứng hóa học kéo theo sự hấp thu ánh sáng của các nguyên tố phản ứng thông qua việc bổ sung chất xúc tác. Công nghệ này sử dụng một chất xúc tác quang (photocatalyst) để kích thích quá trình quang tạo H2O2 từ các chất khác như H2O và O2 trong điều kiện ánh sáng [9]. Với những ưu điểm như dễ thực hiện, chi phí thấp, và không tạo ra ô nhiễm thứ cấp.
Do đó, trong luận văn này hướng đến sử dụng phương pháp quang xúc tác tạo H2O2. Phương pháp quang xúc tác tạo H2O2 Trong những năm gần đây, quang xúc tác được xem là phương pháp bền vững và thân thiện với môi trường nhờ sử dụng ánh sáng mặt trời để kích hoạt các chất xúc tác nhằm tạo ra các sản phẩm hóa học có giá trị như H2O2. Hay nói cách khác, ánh sáng là nhân tố chính để kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra. Phản ứng quang xúc tác bao gồm nhiều giai đoạn diễn ra với sự hiện diện của các cặp điện tử ở vùng hóa trị dịch chuyển lên vùng dẫn dưới sự chiếu xạ của các photon có năng lượng thích hợp.
Sự kích thích này hình thành nên các điện tử mang điện tích âm ở vùng dẫn và các lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các điện tử và lỗ trống này là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học, bao gồm quá trình oxy hóa đối với lỗ trống và quá trình khử đối với điện tử. Quá trình oxy hóa – khử này sẽ giúp tạo thành các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa cao, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra H2O2 [10]. 5 Phương pháp quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng có nhiều ưu điểm như chi phí vận hành thấp, quy trình đơn giản, không sử dụng hóa chất và thân thiện với môi trường [11].
Bên cạnh đó, các nhà khoa học đã đạt được những bước tiến quan trọng trong việc sử dụng chất bán dẫn làm chất xúc tác quang, tuy nhiên vẫn cần những bước phát triển và cải tiến hơn. Quá trình quang xúc tác dựa trên vật liệu bán dẫn đang được quan tâm nghiên cứu vì sử dụng tiền chất là nước và oxy nên có thể phát triển quy mô lớn và thân thiện với môi trường. Vật liệu xúc tác quang giúp nâng cao khả năng hấp thu ánh sáng và khả năng quang tạo H2O2 với nồng độ lên đến 10 – 20%, phù hợp cho nhiều ứng dụng. Quá trình này không chỉ giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng từ các nguồn không thân thiện với môi trường, mà còn giảm thiểu việc sử dụng chất xúc tác độc hại.
Do đó, thách thức đặt ra là phải tìm ra một loại vật liệu xúc tác quang có thể hấp thụ cực đại quang phổ của ánh sáng mặt trời, điều này có ý nghĩa to lớn trong khoa học nhiên liệu ngày nay. Việc phát triển các chất xúc tác quang có độ rộng vùng cấm thích hợp, khả năng phân tách hạt tải điện hiệu quả và diện tích bề mặt riêng lớn có ý nghĩa trong việc cải thiện khả năng hấp thụ quang phổ mặt trời của chất xúc tác [12]. Vật liệu xúc tác quang Vật liệu xúc tác quang là những chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm thấp hơn 3,5 eV có thể hấp thu ánh sáng từ quang phổ mặt trời (thường là trong vùng UV và visible) và sử dụng năng lượng ánh sáng này để xúc tác các phản ứng hóa học. Vật liệu bán dẫn có tính chất trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện.
Kết quả là trên vùng dẫn (conduction band (CB)) sẽ có các electron mang điện tích âm (e–) và trên vùng hóa trị (valence band (VB)) sẽ có các lỗ trống mang điện tích dương (h+) [13]. Nhiều loại vật liệu quang bán dẫn được sử dụng như kẽm oxide (ZnO), titan dioxide (TiO2), thiếc oxide (SnO2), graphene oxide (GO), graphitic carbon nitride (CN), v. Mỗi loại vật liệu cho hiệu quả quang xúc tác không giống nhau do sở hữu năng lượng vùng cấm khác nhau. Cơ chế quá trình quang xúc tác trên vật liệu bán dẫn được thể hiện như Hình 1.
Khi được kích thích bởi các photon ánh sáng có năng lượng thích hợp (hv ≥ Eg), dẫn đến việc kích thích và di chuyển của các e‒ từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, đồng thời 6 tạo ra h+ ở vùng hóa trị như thể hiện ở Phương trình (1. Các e‒ và h+ chuyển đến bề mặt và tương tác với một số chất bị hấp thụ như H2O và O2 tạo ra những chất tự do như •O2‒, •OH và các sản phẩm trung gian có tính oxy hóa mạnh như O2, H2O2 trên bề mặt của chất bán dẫn như thể hiện ở Phương trình (1. Khi e‒ tương tác vào phân tử H2O sẽ có xảy ra quá trình khử nước, tạo thành gốc tự do oxy hóa mạnh ‒ ‒ hydroxit (•OH) và ion hydroxit (HO ). Khi h+ tương tác với HO xảy ra quá trình oxy hóa, tạo thành gốc •OH như thể hiện ở Phương trình (1.
Gốc •OH là một tác nhân oxy hóa rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxy hóa hầu hết các chất hữu cơ. Sự hình thành các nhóm hoạt tính trong quá trình quang xuc tác đóng vai trò quan trọng cho quá trình oxy hóa – khử. Ngoài e‒ và h+ đựơc hình thành khi chất bán dẫn được kích thích bước sóng thích hợp, các nhóm hoạt tính chứa oxy như •O2‒, •OH, O2 và H2O2 được xem là tác nhân oxy hóa mạnh trong quá trình quang xúc tác. Cơ chế phản ứng xảy ra như sau [14]: Vật liệu quang bán dẫn + hν → e‒ + h+ (1.