I. Giới thiệu về TiO2 và Mangan
TiO2 là một vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng quang hóa xúc tác nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng UV. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn (3.2 eV), chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng UV. Mangan là một kim loại chuyển tiếp có khả năng biến tính TiO2, giúp giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng phạm vi hoạt động sang vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính TiO2 bằng Mangan để nâng cao hiệu quả xúc tác ánh sáng khả kiến.
1.1. Cấu trúc và tính chất của TiO2
TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: rutile, anatase và brookite. Rutile là dạng bền nhất, trong khi anatase và brookite là các dạng giả bền. TiO2 có cấu trúc tinh thể dạng bát diện, với mỗi ion Ti được bao quanh bởi sáu ion O. Tính chất vật lý của TiO2 bao gồm độ cứng cao, khó nóng chảy và khả năng hấp thụ ánh sáng UV mạnh.
1.2. Vai trò của Mangan trong biến tính TiO2
Mangan là kim loại chuyển tiếp có khả năng thay thế một phần Ti trong mạng tinh thể TiO2, giúp giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Sự có mặt của Mangan cũng làm giảm tốc độ tái kết hợp của các cặp electron-lỗ trống, tăng cường hiệu quả quang hóa xúc tác.
II. Phương pháp biến tính TiO2 bằng Mangan
Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp hệ vật liệu Mn-TiO2. Quá trình này bao gồm việc kết tủa đồng thời các ion Mn và Ti từ dung dịch muối, sau đó sấy khô và nung ở nhiệt độ cao. Kết quả thu được là vật liệu Mn-TiO2 dạng bột màu nâu, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hoạt tính xúc tác quang hóa cao.
2.1. Quy trình tổng hợp Mn TiO2
Quy trình tổng hợp Mn-TiO2 bắt đầu bằng việc hòa tan các muối MnSO4 và Ti(SO4)2 trong dung dịch nước. Dung dịch được điều chỉnh pH đến 8 để tạo kết tủa. Kết tủa được lọc, rửa sạch, sấy khô và nung ở 700°C trong 3 giờ. Kết quả thu được là vật liệu Mn-TiO2 có cấu trúc tinh thể và tính chất hóa lý được xác định bằng các phương pháp phân tích như XRD, FTIR, SEM và BET.
2.2. Đặc tính hóa lý của Mn TiO2
Các phân tích XRD và FTIR cho thấy sự hình thành liên kết Ti-O-Mn trong vật liệu Mn-TiO2. Phổ DRS chứng minh rằng Mangan đã làm giảm năng lượng vùng cấm của TiO2 từ 3.82 eV xuống còn 2.8 eV, mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Kết quả SEM cho thấy cấu trúc bề mặt của vật liệu có độ xốp cao, tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác quang hóa.
III. Ứng dụng của Mn TiO2 trong phản ứng quang hóa
Vật liệu Mn-TiO2 được ứng dụng trong các phản ứng quang hóa xúc tác để phân hủy các chất hữu cơ độc hại như methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy MB của Mn-TiO2 đạt 90%, cao hơn nhiều so với TiO2 thuần (P25-Degussa).
3.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang hóa
Hoạt tính xúc tác quang hóa của Mn-TiO2 được khảo sát thông qua phản ứng phân hủy MB dưới ánh sáng LED (λ = 460 nm). Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy MB tăng lên đáng kể khi sử dụng Mn-TiO2 so với TiO2 thuần. Các yếu tố như pH, nhiệt độ nung và tỷ lệ Mn:Ti cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất phản ứng.
3.2. Ứng dụng thực tế của Mn TiO2
Vật liệu Mn-TiO2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ độc hại. Khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến giúp tận dụng nguồn năng lượng mặt trời, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.
