Đặt vấn đề Hiện nay, Việt Nam đang tiến xa hơn trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, điều này có nghĩa là việc mở rộng và phát triển sản xuất của các ngành công nghiệp đang diễn ra rất nhanh chóng. Trong đó, ngành dệt may và sản xuất hóa chất đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Điều này cũng đồng nghĩa với việc các hợp chất hữu cơ độc hại từ các ngành này, như thuốc nhuộm, đang dần trở thành nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Mặc dù việc phát triển này mang lại nhiều lợi ích, nhưng không thể phủ nhận rằng chất thải từ hoạt động công nghiệp cũng góp phần tác động tiêu cực đến môi trường.
Trong tất cả các nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường, chất thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm và sản xuất giày da đáng chú ý với sự chứa đựng các hạt rắn lơ lửng, hợp chất hữu cơ khó phân hủy và màu từ thuốc nhuộm [1]. Thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ mang màu, được tạo ra tự nhiên hoặc tổng hợp, và kết dính vào các vật liệu dệt. Ngày nay, hầu hết thuốc nhuộm được sử dụng đều là thuốc nhuộm tổng hợp. Màu sắc của nó phụ thuộc vào các thành phần cấu trúc hóa học.
Thành phần bao gồm: nhóm mang màu và nhóm phụ trợ. Nhóm mang màu là nhóm chưa bão hòa chứa các liên kết đôi liên hợp, hấp thụ ánh sáng và phản xạ ánh sáng ở một góc cụ thể để tạo ra màu sắc, nhóm trợ màu giúp tăng cường sắc tố cho nhóm mang màu [2]. Thuốc nhuộm hữu cơ được quan tâm đặc biệt vì tính độc hại và khả năng khó phân hủy sinh học của nó. Nó là nguyên nhân của sự xuất hiện các kim loại, muối và sự đổi màu trong nước thải, ảnh hưởng xấu đến môi trường [3].
Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát đề xuất quy trình tổng hợp BiOCl/rGO với mong muốn vật liệu được tạo ra có khả năng quang xúc tác tối ưu nhất trong điều kiện ánh sáng mặt trời, tận dụng tối đa nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên. Có thể áp dụng quy trình để sản xuất với quy mô công nghiệp, giảm thiểu chi phí và đơn giản hóa quy trình xử lý nước thải, rút ngắn thời gian xử lý các chất độc hại và tăng cường hiệu quả xử lý nước thải trong các nhà máy xử lý nước. Tất cả là vì mục tiêu giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước làm giảm tác động tiêu cực đối với môi trường và sức khỏe con người. Tóm tắt luận văn Tổng quan đề tài Nghiên cứu tổng hợp vật liệu BR, khảo sát so sánh hiệu suất quang xúc tác từ hai phương pháp tổng hợp khác nhau: phương pháp one step (sử dụng Vitamin C để khử GO thành rGO) và bằng phương pháp two steps (sử dụng nhiệt để khử GO thành rGO).
Đánh giá vật liệu BR theo tính chất, cấu trúc cơ bản bằng phương pháp: phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR), quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE- SEM). Đánh giá vật liệu BR theo tính chất đặc trưng bằng phương pháp: phổ tán xạ Raman. Đánh giá vật liệu BR theo tính ứng dụng bằng phương pháp: đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu thông qua phản ứng phân hủy rhodamine B ở điều kiện ánh sáng nhìn thấy trong 120 phút, đo quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis). rGO dẫn điện tốt nên được thêm vào nhằm mục đích ngăn chặn sự tái tổ hợp của cặp điện tử lỗ trống, thu hẹp độ rộng vùng cấm, giảm kích thước tinh thể, cải thiện khả năng hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến.
3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu vật liệu quang xúc tác 2. Vật liệu quang xúc tác Vật liệu quang xúc tác là những vật liệu có khả năng tham gia vào các phản ứng xúc tác khi chúng tiếp xúc với ánh sáng, thường là vật liệu bán dẫn. Trong quá trình phản ứng, chất xúc tác trong vật liệu không thay đổi cấu trúc và không cần cung cấp thêm năng lượng cho hệ.
Khi ánh sáng chiếu vào, vật liệu quang xúc tác sẽ phản ứng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống. Sự xuất hiện của các cặp điện tử - lỗ trống chính là yếu tố quan trọng đóng vai trò trong các đặc tính xúc tác của các vật liệu này. Cơ chế phản ứng quang xúc tác Quang xúc tác dị thể trong pha lỏng được chia thành các giai đoạn sau: - Khuếch tán chất ô nhiễm đến bề mặt chất xúc tác từ pha lỏng. - Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.
- Hấp phụ photon bởi chất xúc tác, dẫn đến các electron trong vùng hóa trị từ trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích. - Phản ứng quang hóa + Giai đoạn sơ cấp: Các phân tử bán dẫn khi bị kích thích sẽ tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ. + Giai đoạn thứ cấp còn gọi là giai đoạn phản ứng "tối" hoặc phản ứng nhiệt. - Giải phóng các sản phẩm phản ứng đã hấp phụ.
- Khuếch tán vào pha lỏng. Đối với các phân tử hữu cơ và vô cơ khi bị hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác bán dẫn, sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển đổi các điện tử. Các electron được sinh ra ở vùng dẫn sẽ di chuyển đến các phân tử có khả năng nhận, dẫn đến quá trình khử xảy ra. Trong khi đó, các lỗ trống sẽ di chuyển đến các phân tử có khả năng cho electron, tham gia vào quá trình oxy hóa [4].1: Quy trình phản ứng quang xúc tác [5].
Với R: Chất tham gia vào phản ứng khử R-: Sản phẩm được tạo ra từ phản ứng khử O: Chất tham gia vào phản ứng oxi hóa O-: Sản phẩm được tạo ra từ phản ứng oxy hóa (I) Hấp thụ ánh sáng để tạo ra cặp electron và lỗ trống (II) Tách điện tích bị kích thích (III) Chuyển electron và lỗ trống lên bề mặt chất quang xúc tác (III') Sự tái hợp của các electron và lỗ trống (IV) Sử dụng điện tích trên bề mặt cho quá trình oxy hóa khử 2. Phản ứng quang xúc tác với thuốc nhuộm hữu cơ Ô nhiễm thuốc nhuộm hữu cơ là vấn đề nghiêm trọng. Tuy nhiên, giải pháp sử dụng chất quang xúc tác đã chứng tỏ sự vượt trội trong xử lý nước thải truyền thống. Chất quang xúc tác có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm tương đối không nguy hiểm (nước và CO2), điều này giúp cải thiện ô nhiễm.
Sử dụng chất quang xúc tác là một bước tiến đáng chú ý trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm thuốc nhuộm hữu cơ. Phản ứng quang xúc tác có nhiều thành phần khác nhau, bao gồm hấp thụ photon, tách cặp electron - lỗ trống, khuếch tán cặp electron - lỗ trống, và vận chuyển cặp electron - lỗ trống. Quá trình khuếch tán chất mang và vận chuyển electron có thể xảy ra cùng một lúc. Quá trình quang xúc tác bắt đầu bằng việc hấp thụ photon, làm cho các electron trong vùng hóa trị (VB) di chuyển đến vùng dẫn (CB), tạo thành cặp 5 electron - lỗ trống tham gia vào quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ.
Cơ chế quang xúc tác này áp dụng chung cho các chất quang xúc tác bán dẫn [6]. Giới thiệu BiOCl 2. Cấu trúc BiOCl là một hợp chất bán dẫn bậc 3 gồm các nguyên tố nhóm chính V-VI-VII có cấu trúc matlockit tứ giác loại PbFCl điển hình và nhóm không gian P4/nmm. Ngoài ra BiOCl còn có cấu trúc phân lớp mở với các lớp [Cl-Bi-O-Bi-Cl] luân phiên xếp chồng lên nhau bởi tương tác lực Vader Walls giữa các nguyên tử Clo trong khi tất cả các nguyên tử trong lớp được liên kết cộng hóa trị, cấu trúc này có đặc tính quang điện tuyệt vời.
Trong mỗi lớp [Cl-Bi-O-Bi-Cl] một nguyên tử Bi phối hợp với 4 nguyên tử O và bốn nguyên tử Cl xung quanh để tạo thành một cấu trúc kim tự tháp với nguyên tử O ở đỉnh và mỗi nguyên tử Clo liên kết với nguyên tử Bi lân cận tạo thành hình chóp tứ giác với nguyên tử halogen ở đỉnh [7]. Cấu trúc phân lớp đặc biệt này cung cấp một khoảng không gian lớn cho sự phân cực của các nguyên tử và orbital, cho phép các cặp lỗ trống điện tử phân tách và vận chuyển một cách hiệu quả bằng lưỡng cực cảm ứng. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu cũng như ứng dụng quang điện tử [8].2: Cấu trúc của BiOCl [9] 6 2. Tính chất - Tính chất cơ bản + Tính chất hóa học: Độ bền hóa học của BiOCl khá ổn định trong điều kiện thông thường, không dễ bị phân rã hoặc phản ứng với các chất hóa học thường gặp trong môi trường.
+ Tính chất vật lý: Tính chất nhiệt của BiOCl, là chất có khả năng chịu nhiệt tương đối tốt trong điều kiện thường. Điểm nóng chảy của BiOCl là khoảng 500°C. + Tính chất sinh học: Một số nghiên cứu cho thấy BiOCl có khả năng ức chế sự phát triển của một số vi khuẩn gây bệnh và tác động lên tế bào sinh vật nhất định. Tuy nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn để hiểu rõ hơn về tác động này và tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực này [10].
- Tính chất đặc trưng: Tính chất quang xúc tác của BiOCl là một chất quang xúc tác có tính năng nhạy cảm với tia cực tím, được tìm hiểu và nghiên cứu rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là quang xúc tác. Với đặc tính vùng cấm có độ rộng dao động từ 3.5, BiOCl hấp thụ ánh sáng tia cực tím mạnh mẽ, làm cho nó trở thành một lựa chọn hứa hẹn trong ứng dụng quang xúc tác, đặc biệt là trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm trong môi trường nước. Tuy nhiên, để tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời, một xu hướng đáng chú ý trong nghiên cứu là cải thiện khả năng phản ứng của BiOCl trong điều kiện ánh sáng nhìn thấy (tia cực tím và phần tử ánh sáng) [11]. Vấn đề chính ở đây là năng lượng vùng cấm của BiOCl, được xác định là 3.5 eV, làm cho BiOCl hấp thụ được ánh sáng tia cực tím.
Điều này hạn chế tác dụng của BiOCl dưới ánh sáng nhìn thấy (khoảng 400 - 700 nm), mà chúng ta biết là có mật độ năng lượng cao hơn tia cực tím và có sẵn rộng rãi trong ánh sáng mặt trời.