Luận văn thạc sĩ: Biến tính vật liệu g-C3N4 với nguyên tố phi kim làm chất xúc tác quang

• Tác giả: Trần Doãn An
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Viễn
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
• Đề tài: Nghiên cứu biến tính vật liệu g-C3N4 bằng các nguyên tố phi kim làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. GIỚI THIỆU VỀ XÚC TÁC QUANG
• 1.1. Khái niệm xúc tác quang
• 1.2. Phân loại xúc tác quang. Cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 1.3. Nhiệt động học và sự hình thành nhóm hoạt tính chứa oxygen trong quá trình xúc tác quang
• 1.4. Động học của phản ứng xúc tác quang
• 2. GIỚI THIỆU VỀ CARBON NITRIDE CÓ CẤU TRÚC GRAPHITE (g-C3N4)
• 2.1. Cấu trúc tinh thể g-C3N4
• 2.2. Phương pháp tổng hợp g-C3N4
• 2.3. Vật liệu g-C3N4 biến tính
• 3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 3.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang
• 3.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu
• 3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Phổ hồng ngoại (IR)
• 3.2.3. Quang điện tử tia X (XPS)
• 3.2.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.2.6. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis)
• 3.2.7. Phổ phản xạ khuyếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS)
• 3.2.8. Quang phát quang (PL)
• 3.2.9. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp với khối phổ ion hóa (ESI)
• 4. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG
• 4.1. Cơ sở lý thuyết để phân tích định lượng rhodamine B
• 4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ RhB
• 4.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu
• 4.4. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 4.5. Khảo sát cơ chế xúc tác quang
• 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. VẬT LIỆU g-C3N4 PHA TẠP NGUYÊN TỐ FLUORINE
• 5.1.1. Đặc trưng vật liệu
• 5.1.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 5.2. VẬT LIỆU g-C3N4 PHA TẠP FLUORINE, CHLORINE, BROMINE VÀ IODINE
• 5.2.1. Đặc trưng vật liệu
• 5.2.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 5.3. VẬT LIỆU g-C3N4 PHA TẠP OXYGEN
• 5.3.1. Đặc trưng vật liệu
• 5.3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 5.4. VẬT LIỆU g-C3N4 PHA TẠP NGUYÊN TỐ SULFUR
• 5.4.1. Đặc trưng vật liệu
• 5.4.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 5.5. VẬT LIỆU g-C3N4 ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ OXYGEN VÀ FLUORINE
• 5.5.1. Đặc trưng vật liệu
• 5.5.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu g C3N4 và xúc tác quang

Vật liệu g-C3N4 là một chất bán dẫn có cấu trúc lớp 2D, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác quang học nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và độ ổn định cao. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của g-C3N4 bị hạn chế do tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống nhanh, diện tích bề mặt nhỏ, và khả năng hấp thụ ánh sáng kém. Để cải thiện hiệu suất, các phương pháp biến tính vật liệu như pha tạp nguyên tố phi kim đã được áp dụng. Các nguyên tố phi kim như fluorine, chlorine, bromine, iodine, oxygen, và sulfur được sử dụng để điều chỉnh vùng cấm và tăng cường hoạt tính quang xúc tác của g-C3N4.

1.1. Cấu trúc và tính chất của g C3N4

Vật liệu g-C3N4 có cấu trúc tinh thể dựa trên đơn vị heptazine, tạo thành mạng lưới 2D với các liên kết C-N bền vững. Cấu trúc này cho phép g-C3N4 có độ ổn định nhiệt và hóa học cao, phù hợp cho các ứng dụng quang hóa học. Tuy nhiên, vùng cấm của g-C3N4 (~2.7 eV) hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, dẫn đến hiệu suất quang xúc tác thấp. Pha tạp các nguyên tố phi kim giúp điều chỉnh vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

1.2. Ứng dụng của g C3N4 trong xúc tác quang

Vật liệu g-C3N4 được ứng dụng rộng rãi trong các phản ứng quang xúc tác như phân hủy chất ô nhiễm, tách nước tạo hydrogen, và khử CO2. Nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, g-C3N4 trở thành một lựa chọn thay thế hiệu quả cho các chất xúc tác truyền thống như TiO2. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa xúc tác thông qua pha tạp nguyên tố phi kim, nhằm cải thiện hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của g-C3N4.

II. Phương pháp biến tính g C3N4 bằng nguyên tố phi kim

Biến tính vật liệu g-C3N4 bằng các nguyên tố phi kim là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính quang xúc tác. Các nguyên tố phi kim như fluorine, chlorine, bromine, iodine, oxygen, và sulfur được pha tạp vào mạng lưới g-C3N4 thông qua các phương pháp tổng hợp khác nhau. Quá trình này giúp điều chỉnh vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

2.1. Pha tạp fluorine vào g C3N4

Pha tạp fluorine vào g-C3N4 giúp tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm, làm giảm năng lượng vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Các nghiên cứu cho thấy, g-C3N4 pha tạp fluorine có hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với vật liệu gốc, đặc biệt trong phản ứng phân hủy rhodamine B (RhB).

2.2. Pha tạp oxygen và sulfur vào g C3N4

Pha tạp oxygen và sulfur vào g-C3N4 giúp cải thiện tính chất điện tử và quang học của vật liệu. Các nguyên tố này tạo ra các liên kết C-O và C-S trong mạng lưới g-C3N4, làm giảm năng lượng vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Kết quả là, g-C3N4 pha tạp oxygen và sulfur cho hiệu suất quang xúc tác cao hơn trong các phản ứng phân hủy chất ô nhiễm.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Các nghiên cứu về biến tính vật liệu g-C3N4 bằng nguyên tố phi kim đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác. Các vật liệu pha tạp như g-C3N4-F, g-C3N4-O, và g-C3N4-S đều cho hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm cao hơn so với vật liệu gốc. Những kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của g-C3N4 trong lĩnh vực xử lý môi trường và sản xuất năng lượng sạch.

3.1. Hiệu suất quang xúc tác của g C3N4 pha tạp

Các thí nghiệm cho thấy, g-C3N4 pha tạp fluorine có hiệu suất phân hủy RhB đạt 95% trong vòng 120 phút, cao hơn đáng kể so với vật liệu gốc. Tương tự, g-C3N4 pha tạp oxygen và sulfur cũng cho hiệu suất cao trong các phản ứng quang xúc tác, chứng minh hiệu quả của phương pháp pha tạp nguyên tố phi kim.

3.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Vật liệu g-C3N4 pha tạp nguyên tố phi kim có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải và khí thải ô nhiễm. Nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu suất quang xúc tác cao, g-C3N4 pha tạp có thể được sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, góp phần bảo vệ môi trường.