ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO HỆ XÚC TÁC TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH ĐỂ PHÂN HỦY PHENOL

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu Chế tạo Hệ Xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH để Phân hủy Phenol
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cấu trúc tinh thể TiO2
• 1.2. Quá trình quang xúc tác TiO2
• 1.3. Hoạt tính quang xúc tác của TiO2
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tỉ lệ mol TiO2:SiO2
• 2.2. Tỉ lệ mol TiO2:PEG
• 2.3. Tỉ lệ mol TiO2:AcAc
• 2.4. Đặc tính quang xúc tác
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên cứu tổng quan Xúc tác TiO2 SiO2 Ag MONOLITH

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc sử dụng hóa chất trong sản xuất đồng nghĩa với việc thải ra các chất gây ô nhiễm. Đặc biệt, phenol và các dẫn xuất của nó là những chất cực kỳ nguy hại cho nguồn nước và môi trường. Việc xử lý các chất này là một vấn đề cấp bách, thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học. Tuy nhiên, ứng dụng của vật liệu xúc tác TiO2 vẫn còn hạn chế do năng lượng vùng cấm cao (Eg = 3,0 - 3,2 eV), chỉ hiệu quả dưới tia cực tím (UV), chiếm một phần nhỏ trong ánh sáng mặt trời. Vì vậy, nâng cao khả năng hoạt động của TiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy (chiếm phần lớn năng lượng mặt trời) là rất quan trọng để tận dụng nguồn năng lượng dồi dào này.

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc biến tính TiO2 bằng các phi kim loại có thể thu hẹp năng lượng vùng cấm và mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, hoạt tính xúc tác vẫn chưa đạt yêu cầu. Biến tính TiO2 bằng kim loại có thể tăng cường khả năng phân tách electron và lỗ trống, giảm tái tổ hợp và từ đó tăng hoạt tính xúc tác. Việc kết hợp TiO2 với các chất mang như silica, carbon, graphen cũng giúp tăng diện tích bề mặt riêng và khả năng hấp phụ chất hữu cơ, từ đó cải thiện hoạt tính xúc tác. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang Ag-TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel. Sự kết hợp của Ag (bạc) và SiO2 vào TiO2 sẽ tăng cường hoạt tính xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt của Ag. Đồng thời, diện tích bề mặt riêng cao của SiO2 giúp tăng cường khả năng hấp phụ chất ô nhiễm, đẩy nhanh tốc độ phân hủy. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu được đánh giá thông qua việc phân hủy phenol dưới ánh sáng mô phỏng tự nhiên. Kết quả nghiên cứu này sẽ là bước khởi đầu để chúng tôi cải tiến vật liệu Ag-TiO2-SiO2, thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về đồng biến tính với các nguyên tố kim loại/phi kim khác nhau, và phủ lên các giá thể trơ như niken, sợi thủy tinh, MONOLITH để giải quyết các vấn đề về khả năng thu hồi xúc tác.

1.1. Ứng dụng vật liệu TiO2 trong xúc tác quang hóa

Vật liệu TiO2 ở kích thước nano đang được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo pin mặt trời, cảm biến và đặc biệt là trong lĩnh vực xúc tác quang hóa để xử lý các chất ô nhiễm. Do có năng lượng vùng cấm phù hợp, TiO2 có khả năng hấp thụ ánh sáng, tạo ra các cặp electron-lỗ trống, kích hoạt các phản ứng oxi hóa khử, phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 còn hạn chế, cần có các phương pháp để cải thiện.

1.2. Vai trò của SiO2 và Ag trong hệ xúc tác TiO2

Việc bổ sung SiO2 và Ag vào hệ xúc tác TiO2 mang lại nhiều lợi ích. SiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tạo điều kiện cho quá trình hấp phụ chất ô nhiễm. Ag (bạc) có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, tăng cường hiệu ứng plasmon bề mặt, kích thích quá trình quang hóa. Sự kết hợp này tạo ra một hệ xúc tác hiệu quả hơn trong việc phân hủy các chất ô nhiễm.

1.3. Phương pháp sol gel chế tạo vật liệu xúc tác Ag TiO2 SiO2

Phương pháp sol-gel là một phương pháp hiệu quả để điều chế vật liệu nano Ag-TiO2-SiO2 với cấu trúc và thành phần được kiểm soát. Phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt riêng cao, độ phân tán tốt và hoạt tính xúc tác cao. Quy trình sol-gel bao gồm các giai đoạn: thủy phân, trùng ngưng, sấy khô và nung, tạo ra vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có cấu trúc mong muốn.

II. Tổng quan TiO2 Thành phần chính hệ xúc tác

Nano titanium dioxide (TiO2) là một hợp chất phổ biến và quan trọng của nguyên tố Titan, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Hóa mỹ phẩm, sơn, men gốm, thực phẩm… Khi ở kích thước nano, nó được ứng dụng vào việc chế tạo pin mặt trời, cảm biến, đặc biệt là trong lĩnh vực xúc tác quang để xử lý các chất ô nhiễm. Cation Ti4+ không có electron nào ở phân lớp 3d và 4s tạo thành vùng dẫn (CB), anion O2- có đầy đủ 6 electron ở phân lớp 2p tạo nên vùng hóa trị (VB). Khoảng cách năng lượng giữa hai vùng này chính là năng lượng vùng cấm của TiO2. Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau, có cả vô định hình lẫn tinh thể. Ở trạng thái tinh thể, TiO2 có ba dạng chủ yếu là anatase, rutile và brookite. Cấu trúc vô định hình và cấu trúc tinh thể là 2 trạng thái chính của TiO2. TiO2 vô định hình (amorphous) được cấu tạo bởi lõi gồm các khối bát diện hoàn chỉnh (TiO6) và vỏ là các khối bát diện không hoàn chỉnh (TiO5) liên kết với nhau. Trong khi đó, tinh thể TiO2 chỉ được cấu tạo từ các đơn vị TiO6 liên kết với nhau tại các vị trí và góc liên kết khác nhau, từ đó tạo ra 3 dạng thù hình là anatase và brookite. Những nghiên cứu về tính chất và hoạt tính xúc tác quang của cấu trúc amorphous TiO2 vẫn còn rất ít. Trong khi đó, anatase và rutile lại cho thấy hiệu quả quang xúc tác đáng chú ý và thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu.

2.1. Cấu trúc tinh thể TiO2 Anatase Rutile Brookite

Rutile là cấu trúc bền nhất trong 3 dạng thù hình của TiO2, trong khi anatase và brookite chỉ là các cấu trúc giả bền. Vì vậy, khi được xử lý nhiệt, anatase và brookite đều có thể chuyển pha thành rutile. Các nghiên cứu cho thấy khoảng nhiệt độ chuyển pha của anatase rất rộng (400 - 1200°C) tùy thuộc vào kích thước và các tính chất khác của pha anatase như độ tinh thể hóa, diện tích bề mặt riêng, hình thái. Dạng thù hình cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2.

2.2. Quá trình quang xúc tác trên bề mặt TiO2

Phản ứng xúc tác quang hóa bởi TiO2 bắt đầu bằng việc một photon ánh sáng được hấp thụ bởi một electron nằm trong vùng hóa trị của TiO2. Sau đó, electron này bị kích thích và di chuyển đến vùng dẫn, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Nhờ vùng dẫn và vùng hóa trị chứa các mức năng lượng phù hợp cho nhiều phản ứng oxi hóa khử quan trọng, các electron và lỗ trống sinh ra có khả năng thực hiện các phản ứng oxi hóa khử để tạo ra các loại tác nhân oxi hóa mạnh (ROS). ROS sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, phân hủy chúng thành các chất đơn giản hơn hoặc CO2 và H2O.

III. Cách tối ưu hóa hệ xúc tác TiO2 SiO2 Ag MONOLITH

Kích thước hạt là một trong những yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của xúc tác. Xu và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt TiO2 lên hiệu suất phân hủy methylene blue. Kết quả cho thấy, khi kích thước hạt xúc tác giảm từ 49 nm xuống 30 nm, hiệu suất phân hủy quang xúc tác methylene blue tăng dần. Hiệu suất phân hủy tăng theo xu hướng này có thể do việc giảm kích thước hạt dẫn đến sự tăng diện tích bề mặt riêng và tăng số tâm hoạt động quang xúc tác. Wang và cộng sự cũng cho thấy xu hướng tương tự khi nghiên cứu hiệu quả quang xúc tác phân hủy cholorform với hạt TiO2 có kích thước giảm từ 21 nm xuống 11 nm. Tuy nhiên, khi tiếp tục giảm kích thước hạt TiO2 xuống 6 nm, hiệu suất phân hủy chloroform lại giảm. Điều này là do khi kích thước hạt giảm tới một giới hạn nhất định, sự tái kết hợp electron-lỗ trống sẽ diễn ra nhanh hơn sự hình thành electron-lỗ trống, làm giảm số lượng electron-lỗ trống trên bề mặt vật liệu, giảm khả năng xảy ra các phản ứng oxi hóa khử để tạo ROS và dẫn đến việc giảm hoạt tính quang xúc tác của TiO2.

3.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano TiO2

Kích thước hạt nano TiO2 ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bề mặt riêng, khả năng hấp thụ ánh sáng và sự tái kết hợp electron-lỗ trống. Kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, tạo nhiều vị trí hoạt động cho phản ứng. Tuy nhiên, kích thước quá nhỏ có thể làm tăng sự tái kết hợp electron-lỗ trống, giảm hiệu quả xúc tác.

3.2. Tối ưu hóa tỷ lệ mol các thành phần TiO2 SiO2 Ag

Tỷ lệ mol giữa TiO2, SiO2 và Ag đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định cấu trúc và hoạt tính xúc tác của vật liệu. Tỷ lệ TiO2/SiO2 ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và khả năng phân tán của TiO2 trên bề mặt SiO2. Tỷ lệ Ag/TiO2 ảnh hưởng đến hiệu ứng plasmon bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Việc tối ưu hóa tỷ lệ này cần dựa trên các thí nghiệm thực nghiệm và phân tích kết quả.

3.3. Vai trò của nhiệt độ nung trong quá trình chế tạo

Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến sự kết tinh và kích thước hạt của TiO2. Nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến kết tinh không hoàn toàn, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm tăng kích thước hạt và giảm diện tích bề mặt. Việc lựa chọn nhiệt độ nung phù hợp là yếu tố quan trọng để tạo ra vật liệu TiO2 có cấu trúc và hoạt tính xúc tác tối ưu.

IV. Phương pháp đánh giá hiệu quả phân hủy Phenol

Hiệu quả phân hủy phenol thường được đánh giá thông qua việc đo nồng độ phenol còn lại trong dung dịch sau một thời gian phản ứng nhất định. Các phương pháp phân tích thường được sử dụng bao gồm sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và quang phổ UV-Vis. Quang phổ UV-Vis là phương pháp đơn giản và nhanh chóng, dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của phenol ở một bước sóng đặc trưng. Tuy nhiên, phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các chất khác trong dung dịch. HPLC là phương pháp chính xác hơn, cho phép phân tách và định lượng chính xác phenol và các sản phẩm phân hủy khác.

Kết quả đánh giá thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm phenol bị phân hủy theo thời gian. Ngoài ra, động học phản ứng phân hủy cũng có thể được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng. Việc đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác cũng rất quan trọng để đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu trong thực tế.

4.1. Đo nồng độ Phenol bằng quang phổ UV Vis

Quang phổ UV-Vis là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng để đo nồng độ phenol trong dung dịch. Phương pháp này dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của phenol ở một bước sóng đặc trưng, thường là 270 nm. Độ hấp thụ ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ phenol, cho phép xác định nồng độ phenol một cách định lượng.

4.2. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC

HPLC là một phương pháp phân tích chính xác hơn so với quang phổ UV-Vis. HPLC cho phép phân tách và định lượng chính xác phenol và các sản phẩm phân hủy khác. Phương pháp này được sử dụng khi cần phân tích các mẫu phức tạp chứa nhiều chất khác nhau.

4.3. Đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng xúc tác

Độ bền và khả năng tái sử dụng là những yếu tố quan trọng để đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu xúc tác trong thực tế. Độ bền được đánh giá bằng cách đo hoạt tính xúc tác của vật liệu sau nhiều chu kỳ phản ứng. Khả năng tái sử dụng được đánh giá bằng cách thu hồi và sử dụng lại vật liệu xúc tác sau mỗi chu kỳ phản ứng.

V. Ứng dụng thực tiễn của hệ xúc tác TiO2 SiO2 Ag MONOLITH

Hệ xúc tác quang TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH hứa hẹn nhiều ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải ô nhiễm phenol. Với khả năng phân hủy phenol hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, hệ xúc tác này có thể được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp chứa phenol hoặc nước uống bị ô nhiễm phenol. Việc sử dụng vật liệu MONOLITH làm giá đỡ giúp dễ dàng thu hồi và tái sử dụng xúc tác, giảm chi phí vận hành. Ngoài ra, hệ xúc tác này cũng có thể được ứng dụng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác trong nước và không khí.

5.1. Xử lý nước thải công nghiệp chứa Phenol

Hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH có thể được ứng dụng để xử lý nước thải từ các ngành công nghiệp như hóa chất, dược phẩm, dệt may và sản xuất nhựa, nơi phenol thường xuất hiện với nồng độ cao. Bằng cách sử dụng hệ xúc tác này, các nhà máy có thể giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và tuân thủ các quy định về xả thải.

5.2. Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước uống

Trong trường hợp nguồn nước uống bị ô nhiễm phenol do các hoạt động công nghiệp hoặc nông nghiệp, hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước để loại bỏ phenol và đảm bảo nguồn nước an toàn cho người sử dụng.

5.3. Xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác trong môi trường

Ngoài phenol, hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH còn có khả năng phân hủy nhiều chất ô nhiễm hữu cơ khác như thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của hệ xúc tác này trong việc bảo vệ môi trường.

VI. Kết luận Hướng phát triển hệ xúc tác phân hủy Phenol

Nghiên cứu về hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH để phân hủy phenol đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo và phản ứng có thể giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ xúc tác. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc đồng biến tính vật liệu với các nguyên tố khác, sử dụng các giá thể trơ khác nhau và nghiên cứu cơ chế phản ứng một cách chi tiết hơn. Hy vọng rằng, những kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc phát triển các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường hiệu quả và bền vững.

6.1. Thách thức và cơ hội trong tương lai

Mặc dù hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH hứa hẹn nhiều tiềm năng, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các thách thức này bao gồm chi phí sản xuất vật liệu, độ bền của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt và khả năng cạnh tranh với các công nghệ xử lý ô nhiễm khác. Tuy nhiên, những tiến bộ trong khoa học vật liệu và công nghệ nano đang mở ra nhiều cơ hội để giải quyết các thách thức này.

6.2. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng

Việc hiểu rõ cơ chế phản ứng phân hủy phenol trên bề mặt hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH là rất quan trọng để có thể tối ưu hóa hiệu quả xúc tác. Các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng có thể giúp xác định các yếu tố quyết định tốc độ phản ứng và đề xuất các phương pháp cải tiến vật liệu xúc tác.

6.3. Phát triển các vật liệu xúc tác mới

Ngoài hệ xúc tác TiO2-SiO2-Ag/MONOLITH, còn có nhiều vật liệu xúc tác khác có tiềm năng trong việc xử lý ô nhiễm phenol. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu xúc tác mới với hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn và độ bền tốt hơn là một hướng đi quan trọng để giải quyết vấn đề ô nhiễm phenol.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như phenol trong nước thải công nghiệp trở thành vấn đề cấp thiết. Phenol và các dẫn xuất của nó là những chất độc hại, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, phenol tồn tại phổ biến trong nước thải từ các ngành công nghiệp hóa chất, dệt nhuộm, chế biến gỗ và sản xuất thép. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả để phân hủy phenol dưới ánh sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và khảo sát vật liệu xúc tác Ag-TiO2-SiO2 dạng monolith bằng phương pháp sol-gel, với phạm vi thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ quang xúc tác để xử lý nước thải, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quang xúc tác TiO2: TiO2 là vật liệu bán dẫn phổ biến với pha anatase có bandgap khoảng 3,2 eV, có khả năng kích thích tạo ra các cặp electron-lỗ trống dưới tác động của ánh sáng UV, từ đó sinh ra các gốc tự do hydroxyl (·OH) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như phenol.

• Hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag: Việc pha tạp Ag lên TiO2 giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, đồng thời giảm tỷ lệ tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả quang xúc tác.

• Vai trò của SiO2: SiO2 có diện tích bề mặt riêng lớn, giúp tăng diện tích tiếp xúc của vật liệu xúc tác, đồng thời cải thiện tính bền nhiệt và cơ học của vật liệu composite, hỗ trợ phân tán TiO2 và Ag hiệu quả hơn.

Các khái niệm chính bao gồm: bandgap, pha anatase, hiệu ứng plasmon bề mặt, diện tích bề mặt riêng (BET), quá trình quang xúc tác phân hủy phenol.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu xúc tác Ag-TiO2-SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel sử dụng titanium(IV) n-butoxide làm nguồn Ti, tetraethyl orthosilicate làm nguồn Si, acetyl acetone làm chất điều chỉnh thủy phân, polyethylene glycol (PEG 20000) làm môi trường phân tán, và nitrate bạc (AgNO3) làm nguồn Ag.

• Phương pháp phân tích: Vật liệu được đặc trưng bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể, kính hiển vi truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt, đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp BET, và phổ hấp thụ UV-Vis để xác định bandgap và vùng hấp thụ ánh sáng.

• Thí nghiệm quang xúc tác: Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua hiệu suất phân hủy phenol (nồng độ ban đầu 10 ppm) dưới ánh sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời trong 4 giờ. Nồng độ phenol được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 510 nm theo quy trình chuẩn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu vật liệu được tổng hợp với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 khác nhau (100:0, 95:5, 85:15, 75:25), tỷ lệ mol TiO2:PEG, TiO2:H2O, TiO2:AcAc và tỷ lệ Ag:TiO2 (3%, 5%, 7%) được khảo sát để tối ưu hóa điều kiện tổng hợp.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu, đặc trưng và đánh giá hoạt tính quang xúc tác được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 9 năm 2020 tại phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:SiO2: Vật liệu TiO2-SiO2 với tỷ lệ mol 95:5 (TS05) cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất đạt 61% sau 4 giờ chiếu sáng, tăng 20% so với TiO2 tinh khiết (42%). Kích thước hạt trung bình giảm từ 13,7 nm (TiO2) xuống khoảng 5,8 nm (TS05), diện tích bề mặt riêng tăng từ 64,61 m²/g lên 170,93 m²/g.

2. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:PEG: Tỷ lệ mol TiO2:PEG = 1:0,2 cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất 61%, tương tự TS05. Khi tăng PEG vượt mức này (1:0,4), hiệu suất giảm xuống còn 32%, do PEG dư thừa gây bít lấp bề mặt xúc tác.

3. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:H2O: Tỷ lệ mol TiO2:H2O = 1:10 tối ưu, đạt hiệu suất phân hủy phenol 61%. Tỷ lệ thấp hơn hoặc cao hơn đều làm giảm hiệu quả do ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và cấu trúc vật liệu.

4. Ảnh hưởng tỷ lệ mol TiO2:AcAc: Tỷ lệ mol TiO2:AcAc = 1:1 cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất 61%. Acetyl acetone giúp kiểm soát quá trình thủy phân titanium n-butoxide, tạo vật liệu có cấu trúc tốt hơn.

5. Ảnh hưởng hàm lượng Ag: Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 với 3% mol Ag cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất 76% sau 4 giờ, vượt trội so với vật liệu không pha Ag (61%). Bandgap giảm từ 3,12 eV (TiO2) xuống 2,34 eV (3% Ag), mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.

6. Ảnh hưởng nhiệt độ nung: Nung vật liệu ở 500°C cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất 61% (không pha Ag). Nhiệt độ thấp hơn (400°C) hoặc cao hơn (550°C) làm giảm hiệu quả do ảnh hưởng đến pha tinh thể và kích thước hạt.

Thảo luận kết quả

Việc thêm SiO2 vào TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt riêng, giảm kích thước hạt và hạn chế chuyển pha anatase sang rutile, từ đó nâng cao hoạt tính quang xúc tác. PEG và nước đóng vai trò điều chỉnh quá trình thủy phân và phân tán vật liệu, ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính. Acetyl acetone làm chậm quá trình thủy phân titanium n-butoxide, giúp tạo gel đồng nhất hơn.

Pha tạp Ag làm giảm bandgap vật liệu, nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng nhìn thấy hiệu quả hơn và giảm tỷ lệ tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất phân hủy phenol. Nhiệt độ nung tối ưu đảm bảo pha anatase ổn định và kích thước hạt nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước, hiệu suất phân hủy phenol đạt 76% sau 4 giờ là kết quả nổi bật, cho thấy vật liệu Ag-TiO2-SiO2 tổng hợp bằng sol-gel có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý ô nhiễm nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy phenol theo thời gian với các mẫu vật liệu khác nhau, bảng so sánh kích thước hạt, diện tích bề mặt và bandgap, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ mol vật liệu: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ mol TiO2:SiO2 = 95:5, TiO2:PEG = 1:0,2, TiO2:H2O = 1:10, TiO2:AcAc = 1:1 để tổng hợp vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cao. Thời gian thực hiện trong giai đoạn tổng hợp và xử lý ban đầu (2-4 giờ).

2. Pha tạp Ag với hàm lượng 3% mol: Đề xuất pha tạp Ag ở mức 3% mol để giảm bandgap và tăng hiệu quả phân hủy phenol lên đến 76% sau 4 giờ chiếu sáng. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và nhà máy xử lý nước thải.

3. Kiểm soát nhiệt độ nung ở 500°C: Nung vật liệu ở nhiệt độ 500°C trong 2 giờ để đảm bảo pha anatase ổn định và kích thước hạt nhỏ, tối ưu hoạt tính quang xúc tác. Thời gian nung và nhiệt độ cần được kiểm soát nghiêm ngặt trong quy trình sản xuất.

4. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị triển khai vật liệu Ag-TiO2-SiO2 trong các hệ thống xử lý nước thải có chứa phenol, đặc biệt tại các nhà máy dệt nhuộm, chế biến gỗ, sản xuất hóa chất. Thời gian vận hành thử nghiệm khoảng 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế.

5. Nghiên cứu mở rộng: Đề xuất nghiên cứu pha tạp thêm các kim loại hoặc vật liệu carbon để tiếp tục nâng cao hiệu suất quang xúc tác, đồng thời khảo sát khả năng tái sử dụng và bền vững của vật liệu trong điều kiện thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu cung cấp kiến thức sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu quang xúc tác, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt với các chất ô nhiễm phenol.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ môi trường: Tham khảo quy trình tổng hợp sol-gel và điều kiện tối ưu để sản xuất vật liệu xúc tác quang hiệu quả, nâng cao giá trị sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ công nghệ xử lý ô nhiễm tiên tiến, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ xanh trong xử lý nước thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
   Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng nhìn thấy nhờ hiệu ứng plasmon của Ag, đồng thời tăng diện tích bề mặt và giảm kích thước hạt nhờ SiO2, giúp tăng hiệu quả phân hủy phenol lên đến 76% sau 4 giờ chiếu sáng.

2. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu này?
   Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt tỷ lệ thành phần, kích thước hạt và cấu trúc vật liệu, đồng thời dễ dàng pha tạp các thành phần như Ag và SiO2, tạo ra vật liệu đồng nhất và có hoạt tính quang xúc tác cao.

3. Tại sao cần điều chỉnh tỷ lệ mol TiO2:PEG và TiO2:H2O?
   PEG và nước ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và phân tán vật liệu, điều chỉnh tỷ lệ giúp tạo gel đồng nhất, kiểm soát kích thước hạt và diện tích bề mặt, từ đó tối ưu hoạt tính quang xúc tác.

4. Nhiệt độ nung ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính quang xúc tác?
   Nung ở 500°C giúp pha anatase ổn định, kích thước hạt nhỏ và cấu trúc vật liệu tốt nhất, tăng hiệu quả phân hủy phenol. Nhiệt độ thấp hoặc cao hơn làm giảm hoạt tính do pha tinh thể không ổn định hoặc kích thước hạt lớn.

5. Vật liệu này có thể tái sử dụng trong xử lý nước thải không?
   Mặc dù nghiên cứu chưa đề cập chi tiết, vật liệu TiO2-SiO2 và Ag-TiO2-SiO2 thường có tính bền cao và khả năng tái sử dụng tốt trong các nghiên cứu tương tự, tuy nhiên cần khảo sát thêm về độ bền và hiệu suất sau nhiều chu kỳ sử dụng.

Kết luận

• Vật liệu Ag-TiO2-SiO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với tỷ lệ mol TiO2:SiO2 = 95:5 và 3% mol Ag cho hiệu suất phân hủy phenol cao nhất 76% sau 4 giờ chiếu sáng.
• Các yếu tố như tỷ lệ mol PEG, nước, acetyl acetone và nhiệt độ nung ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.
• Việc pha tạp Ag giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển vật liệu quang xúc tác ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải phenol.
• Các bước tiếp theo bao gồm khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu, mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm khác và phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý môi trường nên áp dụng và tiếp tục phát triển vật liệu Ag-TiO2-SiO2 để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.