Nghiên cứu chế tạo composite từ bismuth oxychloride reduced graphene oxide và ứng dụng quang xúc tác của nó

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, việc nghiên cứu và… 82 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thúy An
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Trúc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Composite Từ Bismuth Oxychloride và Reduced Graphene Oxide
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Tóm tắt luận văn
• 1.3. Tổng quan đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu vật liệu quang xúc tác
• 2.2. Vật liệu quang xúc tác
• 2.3. Cơ chế phản ứng quang xúc tác
• 2.4. Phản ứng quang xúc tác với thuốc nhuộm hữu cơ
• 2.5. Giới thiệu BiOCl
• 2.6. Tính chất
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
• 3.2. Dụng cụ và thiết bị
• 3.3. Phương pháp thực hiện
• 3.4. Tổng hợp graphene oxide
• 3.5. Tổng hợp BiOCl
• 3.6. Chế tạo BiOCl/rGO
• 3.7. Các phương pháp phân tích
• 3.7.1. Phân tích theo tính chất đặc trưng
• 3.7.2. Phân tích theo ứng dụng
• 3.8. Khảo sát khả năng xúc tác quang của BiOCl
• 3.8.1. Chuẩn bị dung dịch chất màu
• 3.8.2. Quy trình khảo sát khả năng xúc tác quang
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Khảo sát kết quả sơ bộ của graphene oxide (GO)
• 4.2. Kết quả đo điện trở của graphite và graphene oxit
• 4.3. Kết quả quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 4.4. Kết quả phổ tán xạ Raman
• 4.5. Khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu BiOCl/rGO
• 4.6. Kết quả quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 4.7. Kết quả phổ tán xạ Raman
• 4.8. Kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 4.9. Kết quả Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM
• 4.10. Khảo sát tính chất quang của vật liệu BiOCl/rGO
• 4.11. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy)
• 4.12. Kết quả quang xúc tác
• 4.13. Cơ chế quang xúc tác của BR
• KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Composite BiOCl rGO Vật Liệu Mới

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới có khả năng xử lý chất thải hiệu quả là vô cùng cấp thiết. Khóa luận này tập trung vào nghiên cứu chế tạo composite từ Bismuth Oxychloride (BiOCl) và Reduced Graphene Oxide (rGO), một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực vật liệu nanocomposite. BiOCl vốn là một chất bán dẫn có khả năng quang xúc tác, nhưng hiệu quả còn hạn chế. Việc kết hợp BiOCl với rGO được kỳ vọng sẽ tạo ra một composite vật liệu có tính chất quang xúc tác vượt trội, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước ô nhiễm. Bài viết sẽ đi sâu vào các phương pháp điều chế, đặc tính và ứng dụng của vật liệu BiOCl/rGO. Khóa luận còn đặt mục tiêu khảo sát quy trình tổng hợp BiOCl/rGO tối ưu nhất, tận dụng ánh sáng mặt trời sẵn có, hướng đến sản xuất quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý và quy trình đơn giản.

1.1. Giới Thiệu Về Vật Liệu Quang Xúc Tác Bismuth Oxychloride

Bismuth Oxychloride (BiOCl) là một hợp chất bán dẫn nhóm V-VI-VII, có cấu trúc matlockit tứ giác. Cấu trúc phân lớp [Cl-Bi-O-Bi-Cl] giúp phân tách điện tử và lỗ trống hiệu quả, mang lại tính chất quang điện tốt. Điểm nóng chảy của BiOCl khoảng 500°C, bền hóa học. Tuy nhiên, vùng cấm rộng (khoảng 3.5 eV) khiến BiOCl chủ yếu hấp thụ tia cực tím, hạn chế hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời. Nghiên cứu cải thiện phản ứng dưới ánh sáng nhìn thấy là hướng đi quan trọng.

1.2. Vai Trò Của Reduced Graphene Oxide rGO Trong Composite

Reduced Graphene Oxide (rGO) đóng vai trò quan trọng trong vật liệu composite BiOCl/rGO. rGO có tính dẫn điện cao, giúp tăng cường khả năng vận chuyển electron và giảm thiểu tái tổ hợp electron-lỗ trống trong BiOCl. Điều này dẫn đến tăng hiệu suất quang xúc tác. Việc thêm rGO cũng có thể thu hẹp độ rộng vùng cấm của BiOCl, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, tận dụng tối đa năng lượng mặt trời. Nhờ đó, composite vật liệu có hiệu suất vượt trội hơn BiOCl đơn thuần.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Nước và Tiềm Năng Xử Lý Bằng BiOCl rGO

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa tại Việt Nam kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của các ngành dệt may, hóa chất. Tuy nhiên, điều này cũng gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng, đặc biệt là từ các hợp chất hữu cơ độc hại, thuốc nhuộm khó phân hủy. Chất thải công nghiệp chứa các hạt rắn lơ lửng, hóa chất độc hại, kim loại nặng, muối và đặc biệt là màu từ thuốc nhuộm [1]. Thuốc nhuộm ảnh hưởng xấu đến môi trường, do tính độc hại và khả năng khó phân hủy sinh học [3]. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý hiệu quả, thân thiện với môi trường là vô cùng quan trọng. Vật liệu composite BiOCl/rGO nổi lên như một giải pháp tiềm năng, hứa hẹn khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, thuốc nhuộm dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời.

2.1. Thực Trạng Ô Nhiễm Thuốc Nhuộm Hữu Cơ Từ Công Nghiệp

Ô nhiễm thuốc nhuộm hữu cơ là vấn đề cấp bách. Ngành dệt may và sản xuất giày da là những nguồn thải chính. Thuốc nhuộm tổng hợp có cấu trúc phức tạp, khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nguồn nước. Sự xuất hiện của kim loại, muối, và sự đổi màu trong nước thải ảnh hưởng xấu đến môi trường. Giải pháp sử dụng chất quang xúc tác, đặc biệt là vật liệu BiOCl/rGO, có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành CO2 và nước.

2.2. Cơ Chế Phản Ứng Quang Xúc Tác Trong Xử Lý Chất Ô Nhiễm

Phản ứng quang xúc tác bao gồm hấp thụ photon, tách cặp electron-lỗ trống, khuếch tán và vận chuyển. Ánh sáng kích thích electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo cặp electron-lỗ trống phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Quá trình này áp dụng chung cho các chất quang xúc tác bán dẫn. Việc tăng cường quá trình tách và vận chuyển electron là chìa khóa để nâng cao hiệu quả xúc tác của vật liệu.

III. Phương Pháp Điều Chế BiOCl rGO So Sánh Quy Trình One Step

Luận văn trình bày chi tiết hai phương pháp tổng hợp vật liệu composite BiOCl/rGO: phương pháp one-step và two-steps. Phương pháp one-step kết hợp quá trình tổng hợp BiOCl và khử graphene oxide (GO) thành rGO trong cùng một bước, thường sử dụng Vitamin C làm chất khử. Quá trình khử GO có thể sử dụng Vitamin C và phương pháp two-steps khử bằng nhiệt. Phương pháp two-steps thực hiện hai quá trình này riêng biệt. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về độ phức tạp, thời gian thực hiện và khả năng kiểm soát tính chất vật liệu. Mục tiêu là tìm ra phương pháp tối ưu để tạo ra vật liệu BiOCl/rGO có hiệu suất quang xúc tác cao nhất.

3.1. Chi Tiết Quy Trình Tổng Hợp BiOCl rGO Bằng Phương Pháp One Step

Phương pháp one-step đơn giản, tiết kiệm thời gian. BiOCl và rGO được hình thành đồng thời. Vitamin C được sử dụng để khử GO thành rGO ngay trong quá trình tổng hợp BiOCl. Quá trình có thể điều chỉnh tỷ lệ BiOCl và rGO để tối ưu tính chất xúc tác. Cần kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, thời gian, pH) để đảm bảo chất lượng vật liệu composite.

3.2. Phân Tích Ưu Nhược Điểm Của Phương Pháp One Step So Với Two Steps

Phương pháp one-step có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm thời gian và năng lượng. Tuy nhiên, việc kiểm soát tính chất của rGO có thể khó khăn hơn so với phương pháp two-steps, ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác. Phương pháp two-steps cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình khử GO, nhưng tốn thời gian và công sức hơn. Lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về tính chất vật liệu và điều kiện thực nghiệm.

IV. Đánh Giá Tính Chất Vật Liệu BiOCl rGO Bằng Các Phương Pháp

Để đánh giá tính chất của vật liệu composite BiOCl/rGO được điều chế, luận văn sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và phổ tán xạ Raman. FT-IR xác định các nhóm chức có mặt trong vật liệu. XRD phân tích cấu trúc tinh thể. FE-SEM quan sát hình thái bề mặt. Phổ Raman đánh giá tính chất của graphene trong composite. Kết quả phân tích giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc, thành phần và tương tác giữa BiOCl và rGO.

4.1. Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể Bằng Quang Phổ Nhiễu Xạ Tia X XRD

Quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các pic nhiễu xạ đặc trưng cho BiOCl và rGO sẽ xuất hiện. Kích thước tinh thể có thể được tính toán từ độ rộng của các pic. Sự thay đổi trong cường độ và vị trí của các pic cho thấy tương tác giữa BiOCl và rGO. Kết quả XRD là cơ sở để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của vật liệu.

4.2. Nghiên Cứu Hình Thái Bề Mặt Với Kính Hiển Vi Điện Tử Quét FE SEM

Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) cho phép quan sát hình thái bề mặt của vật liệu ở độ phân giải cao. Ảnh FE-SEM cho thấy sự phân bố của rGO trên bề mặt BiOCl. Sự thay đổi về hình thái bề mặt sau khi kết hợp BiOCl và rGO có thể được quan sát. Hình ảnh FE-SEM cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và sự tương tác giữa các thành phần trong vật liệu composite.

V. Hiệu Quả Quang Xúc Tác Của Composite BiOCl rGO Trong Phân Hủy RhB

Luận văn đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu BiOCl/rGO thông qua phản ứng phân hủy rhodamine B (RhB) dưới ánh sáng nhìn thấy. RhB là một chất nhuộm hữu cơ thường được sử dụng làm chất ô nhiễm mô hình. Hiệu quả quang xúc tác được đánh giá bằng cách theo dõi sự suy giảm nồng độ RhB theo thời gian, sử dụng quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis). So sánh hiệu quả phân hủy RhB của BiOCl/rGO với BiOCl đơn thuần giúp đánh giá vai trò của rGO trong việc nâng cao tính chất xúc tác.

5.1. Theo Dõi Sự Suy Giảm Nồng Độ RhB Bằng Quang Phổ UV Vis

Quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch RhB theo thời gian. Sự suy giảm độ hấp thụ tại bước sóng cực đại của RhB tương ứng với sự phân hủy RhB. Dữ liệu UV-Vis cho phép tính toán tốc độ phản ứng và hiệu suất phân hủy RhB. Đường chuẩn RhB được sử dụng để xác định nồng độ RhB trong quá trình phản ứng.

5.2. So Sánh Hiệu Quả Quang Xúc Tác Giữa BiOCl rGO và BiOCl Đơn Thuần

So sánh hiệu quả phân hủy RhB của BiOCl/rGO với BiOCl đơn thuần là cách trực tiếp để đánh giá vai trò của rGO. Nếu BiOCl/rGO cho thấy hiệu suất phân hủy RhB cao hơn đáng kể so với BiOCl, điều này chứng tỏ rGO đã thành công trong việc nâng cao tính chất xúc tác. Sự khác biệt về tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ cũng cung cấp thông tin quan trọng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu BiOCl rGO

Nghiên cứu này đã thành công trong việc điều chế vật liệu composite BiOCl/rGO bằng hai phương pháp khác nhau: one-step và two-steps. Kết quả phân tích tính chất vật liệu cho thấy sự tương tác giữa BiOCl và rGO, đồng thời chứng minh khả năng nâng cao hiệu suất quang xúc tác của BiOCl khi kết hợp với rGO. Các ứng dụng tiềm năng của vật liệu BiOCl/rGO trong xử lý nước thải ô nhiễm, đặc biệt là phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ, là rất lớn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình điều chế, nâng cao độ bền và mở rộng ứng dụng của vật liệu.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu Về Tính Chất Quang Xúc Tác

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu BiOCl/rGO có khả năng quang xúc tác hiệu quả trong việc phân hủy RhB. Việc thêm rGO giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, và tăng tốc độ phản ứng. Hiệu quả quang xúc tác phụ thuộc vào tỷ lệ BiOCl và rGO trong composite. Phương pháp điều chế cũng ảnh hưởng đến tính chất và hiệu suất quang xúc tác.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tiếp Theo

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào tối ưu hóa quy trình điều chế vật liệu BiOCl/rGO để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác (pH, nhiệt độ, nồng độ chất ô nhiễm) đến hiệu quả phân hủy. Nghiên cứu độ bền của vật liệu trong quá trình sử dụng. Mở rộng ứng dụng của BiOCl/rGO trong xử lý các loại chất ô nhiễm khác nhau, ứng dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng cảm biến.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp dệt may, da giày và sản xuất hóa chất tại Việt Nam, đã kéo theo lượng nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ độc hại phát tán ra môi trường. Trong nguồn nước thải này, các loại thuốc nhuộm tổng hợp chiếm tỷ trọng lớn và là tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng do cấu trúc phân tử bền vững gồm các nhóm mang màu (chứa các liên kết đôi liên hợp hấp thụ và phản xạ ánh sáng) cùng các nhóm trợ màu. Thuốc nhuộm hữu cơ có đặc tính khó phân hủy sinh học, làm suy giảm chất lượng nước, cản trở sự thâm nhập của ánh sáng mặt trời vào các tầng nước và đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống thường gặp khó khăn trong việc phân hủy triệt để những hợp chất này.

Trước thách thức trên, công nghệ quang xúc tác dị thể sử dụng chất bán dẫn nổi lên như một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, có khả năng khoáng hóa các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp thành các chất vô hại như $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ dưới tác dụng của ánh sáng. Trong số các vật liệu bán dẫn, Bismuth Oxychloride ($\text{BiOCl}$) là vật liệu quang xúc tác có cấu trúc phân lớp đặc biệt, mang lại hoạt tính quang xúc tác cao dưới bức xạ tử ngoại. Tuy nhiên, $\text{BiOCl}$ có năng lượng vùng cấm rộng ($3{,}2 - 3{,}5\text{ eV}$) nên bị hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến ($400 - 700\text{ nm}$), đồng thời tốc độ tái tổ hợp của cặp điện tử - lỗ trống quang sinh diễn ra tương đối nhanh. Việc kết hợp $\text{BiOCl}$ với vật liệu carbon dẫn điện như Graphene Oxide dạng khử ($\text{rGO}$) tạo thành cấu trúc composite $\text{BiOCl/rGO}$ là giải pháp nhằm khắc phục các nhược điểm này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

1. Khảo sát và đề xuất quy trình tổng hợp vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ nhằm tối ưu hóa khả năng quang xúc tác dưới điều kiện ánh sáng khả kiến/ánh sáng mặt trời tự nhiên.
2. Khảo sát, so sánh hiệu suất quang xúc tác của vật liệu chế tạo từ hai quy trình khác nhau: phương pháp một bước (one step - sử dụng acid ascorbic/Vitamin C làm tác nhân khử hóa học) và phương pháp hai bước (two steps - sử dụng nhiệt thủy nhiệt để khử $\text{GO}$).
3. Đánh giá cấu trúc, hình thái học và các tính chất đặc trưng của vật liệu chế tạo được thông qua các kỹ thuật phân tích hiện đại.
4. Đánh giá khả năng phân hủy chất màu hữu cơ mô hình Rhodamine B ($\text{RhB}$) trong môi trường nước, từ đó định hướng ứng dụng quy trình tổng hợp vào xử lý nước thải công nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bột bán dẫn Bismuth Oxychloride ($\text{BiOCl}$, ký hiệu B), Graphene Oxide ($\text{GO}$), Graphene Oxide dạng khử ($\text{rGO}$) và vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ (ký hiệu BR, BR1S, BR2S với các tỷ lệ thành phần khác nhau).
• Phạm vi không gian: Toàn bộ quá trình thực nghiệm tổng hợp, phân tích tính chất lý - hóa và đánh giá hoạt tính quang xúc tác được tiến hành tại phòng thí nghiệm Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian và đối tượng khảo sát: Nghiên cứu được thực hiện và hoàn thành vào tháng 8/2023. Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá trên chất màu Rhodamine B ở nồng độ $10\text{ mg/L}$ trong khoảng thời gian chiếu sáng 120 phút dưới vùng ánh sáng khả kiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Quá trình quang xúc tác dị thể trong pha lỏng diễn ra qua các giai đoạn: khuếch tán chất ô nhiễm đến bề mặt chất xúc tác; hấp phụ chất tham gia phản ứng; hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($h\nu \ge E_g$), kích thích electron ($e^-$) từ vùng hóa trị ($\text{VB}$) nhảy lên vùng dẫn ($\text{CB}$) và để lại lỗ trống ($h^+$) trên $\text{VB}$. Các electron và lỗ trống quang sinh di chuyển lên bề mặt chất xúc tác tham gia các phản ứng oxy hóa - khử: electron khử phân tử oxy hòa tan tạo thành các gốc anion superoxide $\bullet\text{O}_2^-$ và $\text{O}^-$; lỗ trống oxy hóa các phân tử nước hoặc ion hydroxyl $\text{OH}^-$ tạo gốc tự do hydroxyl $\bullet\text{OH}$. Các gốc oxy hóa mạnh này sẽ phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ thành $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.

$$ \text{BiOCl} + h\nu \rightarrow \text{BiOCl}(e^- + h^+) $$ $$ \text{O}_2 + e^- \rightarrow \bullet\text{O}_2^- $$ $$ \text{OH}^- + h^+ \rightarrow \bullet\text{OH} $$ $$ \bullet\text{O}_2^- + h^+ + \bullet\text{OH} + \text{chất ô nhiễm} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} $$

Vật liệu $\text{BiOCl}$ thuộc hệ bán dẫn bậc 3, kết tinh theo cấu trúc matlockite tứ giác kiểu $\text{PbFCl}$, nhóm không gian $P4/nmm$. Mạng tinh thể gồm các lớp phân phiến $[\text{Cl-Bi-O-Bi-Cl}]$ liên kết cộng hóa trị nội lớp và xếp chồng lên nhau nhờ lực liên kết Van der Waals giữa các lớp halogen. Vùng hóa trị của $\text{BiOCl}$ hình thành từ orbital lai hóa $\text{Bi 6s}$ và $\text{O 2p}$, trong khi vùng dẫn tạo bởi orbital $\text{Bi 6p}$. Cấu trúc phân lớp này tạo ra điện trường phân cực nội tại giúp phân tách điện tích, nhưng năng lượng vùng cấm cao ($3{,}2 - 3{,}5\text{ eV}$) khiến vật liệu chỉ hoạt động dưới tia cực tím.

Graphene Oxide ($\text{GO}$) là dẫn xuất oxy hóa của than chì, có cấu trúc lớp phẳng 2D chứa nhiều nhóm chức chứa oxy như epoxy ($-\text{C-O-C}-$), hydroxyl ($-\text{OH}$), carbonyl ($-\text{C=O}$) và carboxyl ($-\text{COOH}$) theo mô hình Lerf–Klinowski. Các nhóm chức này làm phá vỡ liên kết $sp^2$ thành $sp^3$, giảm tính dẫn điện nhưng tăng độ phân tán trong nước. Quá trình khử $\text{GO}$ thành $\text{rGO}$ loại bỏ bớt các nhóm chức oxy, khôi phục một phần mạng liên hợp $sp^2$, giúp $\text{rGO}$ có độ dẫn điện tốt, đóng vai trò chất thu nhận và truyền dẫn electron, ức chế sự tái tổ hợp cặp $e^-/h^+$ và mở rộng khả năng hấp thụ quang học của $\text{BiOCl}$.

Quy trình thực nghiệm và hệ thống thiết bị sử dụng:

• Tổng hợp $\text{GO}$: Sử dụng phương pháp Hummers cải tiến từ bột than chì (graphite powder) phản ứng với hỗn hợp acid $\text{H}_2\text{SO}_4:\text{H}_3\text{PO}_4$ (tỷ lệ thể tích 9:1) và chất oxy hóa $\text{KMnO}_4$ ở nhiệt độ dưới 20°C trong 6 giờ, sau đó xử lý bằng $\text{H}_2\text{O}_2$ và $\text{HCl}$ để loại bỏ ion kim loại và chất oxy hóa dư, ly tâm và rửa đến $\text{pH } 6 - 7$ để thu được $\text{GO}$ dạng gel.
• Tổng hợp $\text{BiOCl}$: Hòa tan tiền chất Bismuth nitrate pentahydrate ($\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$), thiourea ($\text{CH}_4\text{N}_2\text{S}$) và Potassium chloride ($\text{KCl}$) trong hỗn hợp dung môi ethylene glycol ($\text{EG}$) và $\text{H}_2\text{O}$ (tỷ lệ 1:1), chuẩn độ bằng dung dịch acid acetic $\text{CH}_3\text{COOH } 2%$ để điều chỉnh pH và kích thích kết tủa, khuấy trong 1 giờ, lọc rửa và sấy khô ở 60°C trong 12 giờ.
• Chế tạo composite $\text{BiOCl/rGO}$:
  • Phương pháp one-step (BR1S): Phối trộn dung dịch $\text{GO}$ gel vào hệ tiền chất tổng hợp $\text{BiOCl}$, sau khi kết tủa tiến hành khử trực tiếp $\text{GO}$ bằng acid ascorbic (Vitamin C, tỷ lệ $0{,}02\text{ g}/30\text{ ml}$) ở 70°C trong 20 phút, sấy ở 60°C trong 12 giờ.
  • Phương pháp two-steps (BR2S): Phân tán $\text{GO}$ trong hỗn hợp ethanol và nước cất bằng siêu âm 30 phút, thêm bột $\text{BiOCl}$ đã tổng hợp vào khuấy 2 giờ, sau đó chuyển vào bình thủy nhiệt dung tích $100\text{ ml}$ và xử lý ở 160°C trong 3 giờ, lọc rửa và sấy ở 80°C trong 4 giờ.

Hệ thống thiết bị đặc trưng cấu trúc và tính chất:

• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Thiết bị NICOLET 6700 xác định các nhóm chức hóa học.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Hệ thống Empyrean phân tích cấu trúc tinh thể, pha vật liệu và kích thước tinh thể.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Thiết bị Hitachi S4800 quan sát hình thái học bề mặt ở độ phóng đại 30.000 lần.
• Quang phổ tán xạ Raman: Thiết bị micro Raman XploRA Plus của Horiba đánh giá các dao động mạng phonon và mức độ khuyết tật mạng carbon.
• Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS): Thiết bị JASCO V-770 xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm thông qua đồ thị Tauc.
• Đo hoạt tính quang xúc tác: Thiết bị quang phổ UV-Vis JASCO V-730 đo độ suy giảm mật độ quang của dung dịch Rhodamine B tại bước sóng hấp thụ cực đại theo thời gian.
• Đo điện trở: Thiết bị SANWA PC700 Digital Multimeters Datalogger đo điện trở của graphite và $\text{GO}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập cơ sở thực tiễn của đề tài dựa trên vấn đề ô nhiễm môi trường nước do chất thải từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm và sản xuất da giày tại Việt Nam. Tác giả phân tích tính độc hại và cấu trúc khó phân hủy của thuốc nhuộm hữu cơ nhân tạo. Từ đó, chương nêu bật sự cần thiết của việc nghiên cứu phát triển vật liệu quang xúc tác $\text{BiOCl/rGO}$ có hoạt tính cao dưới ánh sáng mặt trời nhằm hạ giá thành, đơn giản hóa và rút ngắn thời gian xử lý nước thải công nghiệp. Chương này cũng trình bày mục tiêu nghiên cứu, tóm tắt tổng quan các phương pháp chế tạo (one-step và two-steps), các phương pháp phân tích đặc trưng và phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác trên dung dịch chất màu Rhodamine B.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết và hệ thống hóa các khái niệm, cơ chế khoa học liên quan đến đề tài:

• Phân tích cơ chế phản ứng quang xúc tác dị thể của vật liệu bán dẫn trong pha lỏng và các phản ứng sinh gốc oxy hóa ($\bullet\text{O}_2^-$, $\bullet\text{OH}$) phân hủy chất màu hữu cơ.
• Trình bày cấu trúc tinh thể tứ giác kiểu $\text{PbFCl}$ của $\text{BiOCl}$, các tính chất vật lý, hóa học, sinh học và tính chất quang xúc tác; phân tích cấu trúc điện tử gồm orbital $\text{Bi 6s} - \text{O 2p}$ ở vùng hóa trị và $\text{Bi 6p}$ ở vùng dẫn; nêu rõ hạn chế về năng lượng vùng cấm ($3{,}2 - 3{,}5\text{ eV}$) và tốc độ tái tổ hợp điện tích.
• Tổng hợp các phương pháp điều chế $\text{BiOCl}$ gồm: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol-gel và phương pháp chiếu xạ vi sóng (Microwave assisted - MWA).
• Giới thiệu vật liệu Graphene, Graphene Oxide ($\text{GO}$) và Graphene Oxide dạng khử ($\text{rGO}$); so sánh sự khác biệt về liên kết $sp^2/sp^3$, độ dẫn điện, độ dày đơn lớp ($1 - 2\text{ nm}$ ở $\text{GO}$ so với $0{,}34\text{ nm}$ ở graphene) và các nhóm chức phân cực theo mô hình Lerf–Klinowski.
• Đánh giá các phương pháp tổng hợp $\text{GO}$ trong lịch sử (Brodie, Staudenmaier, Hummers và Hummers cải tiến không dùng $\text{NaNO}_3$) và các phương pháp khử $\text{GO}$ thành $\text{rGO}$ (khử nhiệt và khử hóa học bằng acid ascorbic/Vitamin C hoặc hydrazine hydrate).
• Nêu các hướng ứng dụng mở rộng của vật liệu $\text{BiOCl/rGO}$ trong pin năng lượng mặt trời, y tế và xử lý không khí.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp thực nghiệm

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và các điều kiện kỹ thuật:

• Bảng danh mục 15 hóa chất có độ tinh khiết cao: $\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$, $\text{CH}_4\text{N}_2\text{S}$, $\text{KCl}$, $\text{CH}_3\text{COOH}$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, ethylene glycol ($\text{EG}$), bột graphite, $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{KMnO}_4$, $\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{HCl}$, acid ascorbic (Vitamin C), Rhodamine B ($\text{RhB}$) và nước cất.
• Danh mục và thông số các thiết bị thực nghiệm: máy khuấy từ DLAB MS H280-Pro, tủ sấy Memmert U450, bể rửa siêu âm SH-WB-30UC, máy ly tâm Centrifuge 800D, cân phân tích 3 số và 4 số.
• Quy trình 10 bước tổng hợp $\text{GO}$ theo phương pháp Hummers cải tiến ($0{,}225\text{ g}$ graphite; $27\text{ ml } \text{H}_2\text{SO}_4 + 3\text{ ml } \text{H}_3\text{PO}_4$; $1{,}32\text{ g } \text{KMnO}_4$ khuấy 6 giờ ở $T < 20^\circ\text{C}$; thêm $0{,}675\text{ ml } \text{H}_2\text{O}_2$; rửa bằng $\text{HCl}$ và nước cất qua ly tâm $4000\text{ vòng/phút}$ đến $\text{pH } 6 - 7$).
• Quy trình 10 bước tổng hợp $\text{BiOCl}$ bột ($1{,}4253\text{ g } \text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ trong $50\text{ ml } \text{EG}:\text{H}_2\text{O}$; $0{,}3806\text{ g } \text{CH}_4\text{N}_2\text{S}$; $0{,}3727\text{ g } \text{KCl}$; nhỏ $50\text{ ml } \text{CH}_3\text{COOH } 2%$; khuấy 1 giờ; sấy 60°C trong 12 giờ).
• Quy trình chế tạo composite $\text{BiOCl/rGO}$ một bước (BR1S) khử bằng Vitamin C ($0{,}02\text{ g}/30\text{ ml}$ ở 70°C trong 20 phút) và hai bước (BR2S) thủy nhiệt ($0{,}03\text{ g } \text{GO} + 0{,}6\text{ g } \text{BiOCl}$ trong $10\text{ ml ethanol} + 20\text{ ml nước}$, thủy nhiệt 160°C trong 3 giờ, sấy 80°C trong 4 giờ).
• Nguyên lý và thông số vận hành của các kỹ thuật phân tích FT-IR, XRD, FE-SEM, Raman, UV-Vis DRS và phương pháp dựng đường chuẩn đo quang phân hủy chất màu RhB.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 trình bày các dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình nghiên cứu:

• Đánh giá sơ bộ vật liệu $\text{GO}$: Phép đo điện trở cho thấy điện trở của $\text{GO}$ tăng cao so với graphite do sự đứt gãy mạng liên hợp $sp^2$; phổ FT-IR và Raman của $\text{GO}$ xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm chứa oxy ($-\text{OH}$, $\text{C=O}$, $\text{C-O-C}$).
• Khảo sát cấu trúc composite $\text{BiOCl/rGO}$: Phổ FT-IR và Raman của các mẫu composite chứng minh sự suy giảm cường độ các nhóm chức oxy sau phản ứng khử (khẳng định $\text{GO}$ đã chuyển thành $\text{rGO}$) và xuất hiện các dao động liên kết đặc trưng $\text{Bi-O}$.
• Giản đồ XRD: Các mẫu $\text{BiOCl}$ và $\text{BiOCl/rGO}$ đều hiển thị các đỉnh nhiễu xạ sắc nét đặc trưng cho pha tứ giác của $\text{BiOCl}$, chứng minh vật liệu có độ kết tinh cao; tính toán kích thước tinh thể cho thấy sự hiện diện của $\text{rGO}$ làm giảm kích thước tinh thể $\text{BiOCl}$.
• Ảnh FE-SEM: Ảnh chụp ở độ phóng đại 30.000 lần thể hiện rõ cấu trúc dạng phiến/tấm đặc trưng của $\text{BiOCl}$ phân bố và bám dính trên bề mặt các lớp màng mỏng $\text{rGO}$.
• Tính chất quang (UV-Vis DRS và Tauc plot): Vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ có sự dịch chuyển bờ hấp thụ về vùng bước sóng dài và có độ rộng vùng cấm thu hẹp đáng kể so với mẫu $\text{BiOCl}$ nguyên chất.
• Đánh giá hiệu năng quang xúc tác: Đo phổ hấp thụ phụ thuộc thời gian của dung dịch RhB ($10\text{ mg/L}$) trong 120 phút chiếu sáng; so sánh các tỷ lệ phần trăm $\text{GO}$ khác nhau ở cả hai phương pháp one-step và two-steps. Kết quả cho thấy mẫu BR1S-0.25 (chế tạo theo phương pháp one-step) đạt tốc độ phân hủy và hằng số tốc độ biểu kiến ($k_{app}$) tối ưu nhất, cao hơn hẳn mẫu $\text{BiOCl}$ đơn thuần và các mẫu BR2S. Cơ chế xúc tác được giải thích thông qua sự chuyển dịch electron từ $\text{BiOCl}$ sang $\text{rGO}$, kéo dài thời gian sống của các hạt mang điện.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp thành công vật liệu Graphene Oxide ($\text{GO}$) bằng phương pháp Hummers cải tiến không sử dụng $\text{NaNO}_3$, giúp loại bỏ nguy cơ phát sinh khí độc hại ($\text{NO}_2$, $\text{N}_2\text{O}_4$), thu được sản phẩm $\text{GO}$ dạng gel có độ phân tán tốt. Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ bằng hai con đường: phương pháp hóa học một bước (one step - BR1S) sử dụng chất khử sinh học acid ascorbic (Vitamin C) ở 70°C và phương pháp thủy nhiệt hai bước (two steps - BR2S) ở 160°C.

Tiêu chí so sánh	Phương pháp One-step (BR1S)	Phương pháp Two-steps (BR2S)
Tác nhân khử GO	Acid ascorbic (Vitamin C, tỷ lệ $0{,}02\text{ g}/30\text{ ml}$)	Nhiệt trong hệ thủy nhiệt kín
Điều kiện phản ứng	Khuấy ở 70°C trong 20 phút; sấy 60°C trong 12 giờ	Thủy nhiệt ở 160°C trong 3 giờ; sấy 80°C trong 4 giờ
Quy trình tổng hợp	Tổng hợp $\text{BiOCl}$ trực tiếp trên nền $\text{GO}$, sau đó khử ngay	Tổng hợp riêng $\text{BiOCl}$ bột, sau đó phối trộn và thủy nhiệt
Mức độ an toàn & thiết bị	Quy trình đơn giản, không độc hại, áp suất thường	Đòi hỏi bình phản ứng thủy nhiệt chịu áp suất
Hiệu suất quang xúc tác	Đạt hiệu suất phân hủy RhB tối ưu vượt trội ở mẫu BR1S-0.25	Hiệu suất phân hủy Rhodamine B thấp hơn BR1S

Các kết quả phân tích cấu trúc và tính chất quang đã xác nhận:

• Giản đồ XRD và ảnh FE-SEM (độ phóng đại 30.000 lần) khẳng định $\text{BiOCl}$ giữ nguyên cấu trúc tinh thể tứ giác dạng phiến, kết hợp chặt chẽ trên các tấm màng $\text{rGO}$, làm giảm kích thước tinh thể hạt.
• Phổ FT-IR và Raman ghi nhận sự biến mất/suy giảm mạnh của các nhóm chức chứa oxy trên $\text{GO}$ sau phản ứng khử, chứng minh $\text{GO}$ đã chuyển hóa thành $\text{rGO}$.
• Phổ UV-Vis DRS và đồ thị Tauc xác nhận vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ có năng lượng vùng cấm thu hẹp, mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy ($400 - 700\text{ nm}$).
• Thử nghiệm quang phân hủy dung dịch Rhodamine B ($10\text{ mg/L}$) trong 120 phút chứng minh mẫu BR1S-0.25 đạt hiệu suất quang xúc tác và hằng số tốc độ $k_{app}$ cao nhất nhờ khả năng dẫn truyền electron của $\text{rGO}$ ngăn chặn hiệu quả sự tái tổ hợp cặp $e^-/h^+$.

Tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng quy trình tổng hợp một bước sử dụng Vitamin C vào quy mô công nghiệp để chế tạo vật liệu quang xúc tác xử lý nước thải dệt nhuộm, tận dụng nguồn bức xạ ánh sáng mặt trời tự nhiên nhằm giảm chi phí năng lượng và hóa chất xử lý. Đóng góp nổi bật của luận văn là hoàn thiện quy trình chế tạo composite $\text{BiOCl/rGO}$ thân thiện với môi trường, sử dụng chất khử không độc hại, đồng thời cung cấp các dẫn liệu thực nghiệm về cơ chế tăng cường hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ tập trung khảo sát hoạt tính quang xúc tác trên một chất màu hữu cơ đơn lẻ là Rhodamine B ở nồng độ cố định $10\text{ mg/L}$, chưa đánh giá trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế có thành phần hóa học phức tạp chứa hỗn hợp nhiều phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt và muối vô cơ. Bên cạnh đó, nghiên cứu chưa tiến hành các thử nghiệm đánh giá độ bền quang hóa và khả năng tái sử dụng (reusability) qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp của vật liệu $\text{BiOCl/rGO}$, cũng như chưa khảo sát quy trình thu hồi xúc tác sau phản ứng ở quy mô dòng chảy liên tục.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Mở rộng thử nghiệm khả năng phân hủy quang xúc tác của vật liệu BR1S trên các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khác như Methyl Orange, Methylene Blue và các hợp chất kháng sinh (như Tetracycline).
• Khảo sát độ ổn định cấu trúc, độ bền hoạt tính và hiệu quả tái sử dụng của composite $\text{BiOCl/rGO}$ sau nhiều chu kỳ xúc tác.
• Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành thực tế (nồng độ xúc tác, pH dung dịch, cường độ chiếu sáng) và thử nghiệm xử lý trên mẫu nước thải thực tế từ các nhà máy dệt nhuộm ở quy mô pilot.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Môi trường và Công nghệ Sinh học định hướng nghiên cứu vật liệu nano bán dẫn và công nghệ xử lý môi trường.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong văn bản gồm:

• Quy trình chi tiết tổng hợp Graphene Oxide bằng phương pháp Hummers cải tiến loại bỏ hoàn toàn $\text{NaNO}_3$, giúp hạn chế phát sinh khí độc hại trong phòng thí nghiệm.
• Quy trình công nghệ chế tạo composite $\text{BiOCl/rGO}$ một bước sử dụng chất khử sinh học acid ascorbic (Vitamin C) ở nhiệt độ thấp ($70^\circ\text{C}$), không dùng hóa chất độc hại.
• Phương pháp luận phân tích và liên kết đồng bộ các kỹ thuật đặc trưng vật liệu hiện đại (FT-IR, XRD, FE-SEM, Raman, UV-Vis DRS và đồ thị Tauc) để xác định cấu trúc, hình thái và tính chất vùng cấm quang học của vật liệu bán dẫn.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp Hummers cải tiến sử dụng trong khóa luận có ưu điểm gì so với phương pháp Hummers truyền thống và phương pháp Brodie, Staudenmaier?

Phương pháp Brodie và Staudenmaier sử dụng $\text{KClO}_3$ dễ phân hủy thành khí $\text{ClO}_2$ gây nổ trong không khí. Phương pháp Hummers truyền thống (1958) sử dụng $\text{NaNO}_3$ kết hợp $\text{KMnO}_4/\text{H}_2\text{SO}_4$, tạo ra các khí độc hại $\text{NO}_2$ và $\text{N}_2\text{O}_4$. Phương pháp Hummers cải tiến (công bố năm 2010) loại bỏ hoàn toàn $\text{NaNO}_3$, thay bằng hỗn hợp $\text{H}_2\text{SO}_4$ và $\text{H}_3\text{PO}_4$ (tỷ lệ thể tích 9:1), giúp phản ứng diễn ra an toàn, không phát thải khí độc, đồng thời $\text{H}_3\text{PO}_4$ đóng vai trò chất ổn định giúp sản phẩm $\text{GO}$ tạo thành có mức độ oxy hóa cao và cấu trúc đều đặn hơn.

Vì sao việc kết hợp rGO lại giúp cải thiện hoạt tính quang xúc tác của BiOCl dưới ánh sáng khả kiến?

$\text{BiOCl}$ nguyên chất có năng lượng vùng cấm rộng ($3{,}2 - 3{,}5\text{ eV}$) nên chỉ hấp thụ được tia tử ngoại và có tốc độ tái tổ hợp cặp điện tử - lỗ trống ($e^-/h^+$) tương đối nhanh. Khi kết hợp với $\text{rGO}$ (vật liệu có độ dẫn điện tốt nhờ phục hồi một phần mạng liên hợp $sp^2$), $\text{rGO}$ đóng vai trò làm bẫy thu nhận và dẫn truyền electron từ vùng dẫn của $\text{BiOCl}$, ngăn chặn sự tái tổ hợp của cặp $e^-/h^+$. Đồng thời, sự tương tác bề mặt giữa hai pha làm thu hẹp độ rộng vùng cấm quang học, giúp vật liệu hấp thụ hiệu quả năng lượng photon trong vùng ánh sáng nhìn thấy ($400 - 700\text{ nm}$).

Tại sao tác giả lựa chọn acid ascorbic (Vitamin C) làm chất khử hóa học trong phương pháp one-step thay vì hydrazine hydrate?

Hydrazine hydrate ($\text{N}_2\text{H}_4\cdot\text{H}_2\text{O}$) là chất lỏng dễ cháy, không màu, có mùi khai nồng, có độc tính cao và nguy hiểm đối với sức khỏe con người cũng như môi trường. Ngược lại, acid ascorbic (Vitamin C) là chất khử nhẹ, không độc hại, thân thiện với môi trường và có khả năng hoạt động như một chất ổn định giúp ngăn ngừa sự tái kết tụ của các lớp $\text{rGO}$ mà không cần bổ sung thêm phụ gia ổn định khác.

Vai trò của acid acetic 2% trong quy trình tổng hợp BiOCl là gì?

Trong quy trình tổng hợp $\text{BiOCl}$ từ tiền chất $\text{Bi}(\text{NO}_3)_3\cdot 5\text{H}_2\text{O}$, thiourea và $\text{KCl}$ trong dung môi ethylene glycol - nước, dung dịch acid acetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$) nồng độ 2% được nhỏ từ từ qua buret vào hệ nhằm mục đích điều chỉnh pH dung dịch và tạo môi trường acid phù hợp để thúc đẩy phản ứng thủy phân và kết tủa tạo thành tinh thể $\text{BiOCl}$ đồng đều.

Hiệu quả phân hủy quang xúc tác của vật liệu được đánh giá trên chất màu nào và theo quy trình thực nghiệm ra sao?

Hiệu quả quang xúc tác được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy chất màu hữu cơ Rhodamine B ($\text{RhB}$) ở nồng độ ban đầu $10\text{ mg/L}$ trong dung dịch nước. Thí nghiệm được thực hiện dưới nguồn chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy trong thời gian 120 phút. Quá trình suy giảm nồng độ $\text{RhB}$ theo thời gian được xác định bằng máy quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis JASCO V-730) dựa trên độ hấp thụ quang tại bước sóng cực đại theo đường chuẩn đã thiết lập.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu composite $\text{BiOCl/rGO}$ bằng hai phương pháp tổng hợp một bước (khử bằng Vitamin C) và hai bước (khử nhiệt thủy nhiệt). Các kết quả đặc trưng cấu trúc (FT-IR, XRD, FE-SEM, Raman) và tính chất quang (UV-Vis DRS) khẳng định $\text{BiOCl}$ phân bố tốt trên các lớp màng $\text{rGO}$, làm giảm kích thước tinh thể và thu hẹp năng lượng vùng cấm. Mẫu composite tối ưu BR1S-0.25 chế tạo theo phương pháp một bước thể hiện hiệu suất quang phân hủy Rhodamine B ($10\text{ mg/L}$) vượt trội dưới ánh sáng khả kiến trong 120 phút so với $\text{BiOCl}$ đơn thuần. Đề tài cung cấp quy trình chế tạo vật liệu quang xúc tác xanh, an toàn và mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.