Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano hiện nay được xem là hướng phát triển mũi nhọn toàn cầu, đặc biệt trong việc giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng. Vật liệu nano TiO2 (titan đioxit) nổi bật với khả năng quang xúc tác mạnh mẽ, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm nguồn nước, không khí và sản xuất năng lượng sạch. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của TiO2 tinh khiết vẫn còn hạn chế do hiện tượng tái tổ hợp nhanh của các cặp electron - lỗ trống, làm giảm khả năng chuyển hóa năng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng oxit kim loại NiO và Fe2O3 nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

Mục tiêu chính của luận văn là chế tạo vật liệu nano TiO2 biến tính với các hàm lượng khác nhau của NiO và Fe2O3, khảo sát cấu trúc pha, kích thước hạt, đặc tính hấp thụ ánh sáng và đánh giá hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ Rhodamine B. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn năm 2019-2020 tại Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, góp phần ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất năng lượng sạch, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế hoạt động của vật liệu composite TiO2 biến tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác bán dẫn và mô hình composite vật liệu biến tính.

  1. Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn: TiO2 là vật liệu bán dẫn với vùng cấm năng lượng khoảng 3,2 eV, khi bị kích thích bởi ánh sáng tử ngoại, tạo ra cặp electron - lỗ trống. Các hạt tải điện này tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử, phân hủy các hợp chất hữu cơ và ion kim loại độc hại. Tuy nhiên, sự tái tổ hợp nhanh chóng của cặp electron - lỗ trống làm giảm hiệu suất quang xúc tác.

  2. Mô hình composite biến tính TiO2: Việc pha tạp TiO2 với các oxit kim loại như NiO và Fe2O3 tạo ra các bẫy điện tử, hạn chế tái tổ hợp, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến và tăng thời gian sống của các hạt mang điện. Mô hình composite này giúp tăng cường sự chuyển dời electron trên bề mặt vật liệu, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng (Eg), electron dẫn (e⁻), lỗ trống (h⁺), gốc hydroxyl tự do (HO●), và hiệu suất quang xúc tác (H%).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nano TiO2 thương mại biến tính với NiO và Fe2O3 được tổng hợp theo phương pháp tẩm ướt và xử lý nhiệt. Các mẫu được pha tạp với hàm lượng NiO, Fe2O3 lần lượt là 0,5%; 1%; 1,5%; 3% và 5% theo khối lượng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể và kích thước hạt trung bình dựa trên các đỉnh đặc trưng của anatase TiO2.
  • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái học, kích thước hạt nano.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Phân tích thành phần nguyên tố, xác nhận sự có mặt của Ni và Fe trong vật liệu.
  • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS): Đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và xác định vùng cấm năng lượng.
  • Thí nghiệm hấp phụ Rhodamine B: Xác định thời gian cân bằng hấp phụ để loại trừ ảnh hưởng hấp phụ trong đánh giá hoạt tính quang xúc tác.
  • Thí nghiệm quang xúc tác phân hủy Rhodamine B: Đo hiệu suất phân hủy Rhodamine B dưới chiếu sáng đèn halogen 500W, tính theo phần trăm giảm độ hấp thụ quang.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 6 mẫu vật liệu với các hàm lượng biến tính khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên từ lô sản xuất. Phân tích dữ liệu sử dụng các phần mềm chuyên dụng cho XRD, TEM và phổ UV-Vis. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc pha và kích thước hạt: Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy tất cả các mẫu TiO2 biến tính với NiO và Fe2O3 giữ nguyên cấu trúc pha anatase đặc trưng với các đỉnh tại 2θ = 25,28°; 37,79°; 48,05°. Không phát hiện đỉnh đặc trưng của NiO và Fe2O3 do hàm lượng thấp, tuy nhiên phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Ni và Fe trong mẫu. Kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm, không bị ảnh hưởng bởi việc pha tạp.

  2. Khả năng hấp thụ ánh sáng: Phổ DRS cho thấy các mẫu biến tính có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh hơn trong vùng bước sóng dài (ánh sáng khả kiến) so với TiO2 nguyên chất. Mẫu 5% (NiO, Fe2O3)/TiO2 có khả năng hấp thụ mạnh nhất, với vùng cắt phổ khoảng 394 nm tương ứng Eg ≈ 3,15 eV.

  3. Thời gian cân bằng hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ Rhodamine B cho thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu là khoảng 30 phút, với độ hấp thụ gần như không thay đổi sau thời gian này, loại trừ ảnh hưởng hấp phụ trong đánh giá quang xúc tác.

  4. Hiệu suất quang xúc tác: Hiệu suất phân hủy Rhodamine B tăng theo hàm lượng NiO, Fe2O3 pha tạp, đạt tối đa ở mẫu 3% với hiệu suất khoảng 85% sau 90 phút chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với TiO2 nguyên chất. Mẫu 5% có hiệu suất giảm nhẹ do hiện tượng tái tổ hợp tăng khi hàm lượng pha tạp quá cao.

Thảo luận kết quả

Việc giữ nguyên cấu trúc anatase của TiO2 sau khi biến tính cho thấy phương pháp tẩm ướt và xử lý nhiệt đã thành công trong việc tạo composite mà không làm biến đổi cấu trúc tinh thể cơ bản. Sự hiện diện của NiO và Fe2O3 tạo ra các bẫy điện tử, làm giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các hạt mang điện, từ đó tăng hiệu suất quang xúc tác.

Khả năng hấp thụ ánh sáng mở rộng sang vùng khả kiến giúp vật liệu tận dụng tốt hơn nguồn sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, phù hợp với ứng dụng thực tế. Hiệu suất quang xúc tác cao nhất ở mẫu 3% cho thấy tồn tại nồng độ pha tạp tối ưu, vượt quá mức này sẽ làm tăng các trung tâm tái tổ hợp, giảm hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng tăng hiệu suất quang xúc tác khi pha tạp oxit kim loại, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu về sự kết hợp NiO và Fe2O3 trên TiO2. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy Rhodamine B theo thời gian và hàm lượng pha tạp, cũng như bảng tổng hợp kích thước hạt và vùng cấm năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng pha tạp: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng NiO, Fe2O3 khoảng 3% để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, tránh vượt quá gây giảm hiệu quả do tái tổ hợp tăng.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Áp dụng phương pháp tẩm ướt và xử lý nhiệt đã được chứng minh hiệu quả để sản xuất vật liệu composite TiO2 biến tính với NiO, Fe2O3 ở quy mô công nghiệp trong vòng 1-2 năm.

  3. Ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường: Khuyến khích các đơn vị xử lý nước thải và không khí độc hại thử nghiệm vật liệu này trong các hệ thống quang xúc tác thực tế nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ và ion kim loại độc hại.

  4. Nghiên cứu mở rộng: Đề xuất tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các oxit kim loại khác và điều kiện biến tính khác nhau đến hoạt tính quang xúc tác, cũng như khảo sát khả năng tái sử dụng và độ bền của vật liệu trong môi trường thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu để phát triển các composite quang xúc tác mới.

  2. Chuyên gia môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu quang xúc tác hiệu quả trong xử lý ô nhiễm nước và không khí.

  3. Doanh nghiệp công nghệ xanh: Áp dụng vật liệu TiO2 biến tính trong sản xuất thiết bị xử lý môi trường và năng lượng sạch.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, phân tích và kết quả để phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần biến tính TiO2 bằng NiO và Fe2O3?
    Việc biến tính giúp giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu là gì?
    Sử dụng phương pháp tẩm ướt với dung dịch nitrat Ni và Fe, sau đó xử lý nhiệt ở 500°C để tạo composite TiO2 biến tính.

  3. Hiệu suất quang xúc tác được đánh giá như thế nào?
    Bằng thí nghiệm phân hủy Rhodamine B dưới chiếu sáng đèn halogen, đo giảm độ hấp thụ quang theo thời gian.

  4. Ảnh hưởng của hàm lượng NiO, Fe2O3 đến hiệu suất?
    Hiệu suất tăng khi hàm lượng tăng đến 3%, sau đó giảm nhẹ do tăng tái tổ hợp điện tử.

  5. Vật liệu có thể ứng dụng trong thực tế không?
    Có, vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu suất cao, phù hợp cho xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất năng lượng sạch.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3 với cấu trúc pha anatase ổn định và kích thước hạt khoảng 30 nm.
  • Vật liệu biến tính có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh hơn TiO2 nguyên chất, mở rộng ứng dụng trong quang xúc tác.
  • Hiệu suất phân hủy Rhodamine B đạt tối đa khoảng 85% ở mẫu 3% NiO, Fe2O3/TiO2, cao hơn đáng kể so với TiO2 không biến tính.
  • Phương pháp tổng hợp tẩm ướt và xử lý nhiệt là hiệu quả, có thể áp dụng quy mô lớn.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa vật liệu và ứng dụng thực tế trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng sạch.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp thử nghiệm vật liệu trong các hệ thống xử lý thực tế, đồng thời phát triển các composite mới dựa trên nền tảng nghiên cứu này.