Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước và không khí, đang trở thành vấn đề nghiêm trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp. Theo ước tính, các nhà máy công nghiệp thải ra lượng lớn nước thải và khí thải độc hại, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các phương pháp xử lý nước thải hiện nay như đông tụ, thiêu kết, phân hủy sinh học và hấp phụ than hoạt tính đều có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong điều kiện yếm khí có thể tạo ra các amin thơm độc hại. Phương pháp oxy hóa tiên tiến, sử dụng các chất xúc tác bán dẫn dưới ánh sáng, đã được xem là giải pháp tiềm năng để phân hủy các chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O.

Trong số các vật liệu xúc tác quang, ZnO được đánh giá cao nhờ khả năng xúc tác quang hóa vượt trội, độ bền nhiệt cao, không độc hại và chi phí thấp. Tuy nhiên, ZnO có năng lượng vùng cấm lớn khoảng 3,27 eV, chỉ hấp thụ hiệu quả ánh sáng cực tím chiếm khoảng 5% bức xạ mặt trời, hạn chế ứng dụng thực tế. Do đó, việc pha tạp cacbon (C) vào ZnO nhằm thu hẹp vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tốc độ tái kết hợp electron-lỗ trống là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite C/ZnO với các hàm lượng cacbon khác nhau, khảo sát ảnh hưởng của cacbon đến hình thái, cấu trúc và tính chất quang của vật liệu, đồng thời đánh giá hoạt tính xúc tác quang phân hủy methylene blue (MB) nhằm góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết bán dẫn và vùng cấm năng lượng: ZnO là chất bán dẫn II-VI với cấu trúc tinh thể wurtzite, có vùng cấm rộng 3,27 eV, cho phép hấp thụ photon năng lượng cao để tạo ra cặp electron-lỗ trống, cơ sở cho quá trình xúc tác quang.
  • Mô hình quang xúc tác dị thể: Khi chiếu sáng, electron từ vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn, tạo ra các gốc oxy siêu oxit (O2–) và gốc hydroxyl (OH*) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ độc hại.
  • Khái niệm pha tạp và biến tính vật liệu: Pha tạp cacbon vào ZnO nhằm thu hẹp vùng cấm, tăng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang.
  • Các khái niệm chính: Vùng cấm năng lượng (Eg), quang xúc tác, electron quang sinh, lỗ trống, gốc oxy hóa mạnh, vật liệu nano composite.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu ZnO thương mại kích thước < 200 nm; axit citric làm nguồn cacbon.
  • Quy trình chế tạo: Pha trộn ZnO với dung dịch axit citric ở các nồng độ mol 0,025; 0,05; 0,1 và 0,2 mM, khuấy từ 12 giờ ở nhiệt độ phòng, ly tâm tách, sấy khô và ủ nhiệt ở 500°C trong 2 giờ dưới khí Nitơ để tạo vật liệu C/ZnO.
  • Phương pháp phân tích:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc và độ kết tinh.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt.
    • Phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích thành phần nguyên tố.
    • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng cấm năng lượng.
    • Phổ huỳnh quang (PL) đánh giá tốc độ tái hợp electron-lỗ trống.
    • Phổ hấp thụ UV-Vis theo dõi quá trình phân hủy methylene blue.
  • Cỡ mẫu: Nhiều mẫu C/ZnO với các nồng độ cacbon khác nhau được chế tạo và khảo sát.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2021 tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các bước từ chế tạo, xử lý nhiệt đến phân tích đặc tính và đánh giá hoạt tính xúc tác quang.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cacbon đến hình thái và cấu trúc vật liệu:

    • Màu sắc vật liệu chuyển từ trắng (ZnO thương mại) sang xám đậm và gần như đen khi tăng nồng độ axit citric, chứng tỏ sự tồn tại và tăng hàm lượng cacbon trong vật liệu.
    • Kích thước hạt nano tăng từ khoảng 50-100 nm (mẫu S0) lên đến khoảng 400 nm (mẫu S2) do sự kết đám và hình thành lớp kẽm citrate bao phủ bề mặt hạt.
    • Kết quả EDX cho thấy thành phần cacbon tăng dần từ mẫu S025 đến S2, trong khi Zn và O giảm tương ứng, xác nhận sự phủ lấp của cacbon trên bề mặt ZnO.
    • Phổ XRD cho thấy các mẫu vẫn giữ cấu trúc wurtzite lục giác với độ kết tinh cao, tuy nhiên cường độ đỉnh nhiễu xạ giảm khi hàm lượng cacbon tăng, phản ánh sự bao phủ của cacbon. Kích thước tinh thể giảm từ 38,7 nm (S0) xuống 36,1 nm (S2).

  2. Tính chất quang học:

    • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis cho thấy bờ hấp thụ của vật liệu dịch chuyển từ 3,27 eV (S0) xuống còn 2,95 eV (S2), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến.
    • Mẫu S025 xuất hiện bờ hấp thụ phụ tại khoảng 720 nm, cho thấy sự hình thành các mức tạp chất sâu do pha tạp cacbon và khuyết oxy.
    • Phổ huỳnh quang giảm cường độ khi tăng hàm lượng cacbon, chứng tỏ tốc độ tái hợp electron-lỗ trống giảm, giúp tăng hiệu suất xúc tác quang.

  3. Hoạt tính xúc tác quang phân hủy methylene blue (MB):

    • Các mẫu C/ZnO thể hiện khả năng hấp phụ MB tốt hơn so với ZnO thương mại.
    • Dưới chiếu sáng UV (365 nm), mẫu S05 có hiệu suất phân hủy MB cao hơn đáng kể so với mẫu S0, với tỷ lệ phân hủy đạt khoảng 90% sau 30 phút, so với khoảng 60% của ZnO nguyên chất.
    • Động học phân hủy MB theo thời gian cho thấy tốc độ phân hủy tăng theo hàm lượng cacbon đến mức tối ưu, sau đó giảm nhẹ do hiện tượng kết đám hạt lớn.
    • Dưới ánh sáng khả kiến, mẫu C/ZnO cũng duy trì hoạt tính xúc tác tốt hơn ZnO nguyên chất, mở rộng ứng dụng trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hàm lượng cacbon trong vật liệu C/ZnO làm giảm kích thước tinh thể và tạo ra các mức tạp chất sâu trong vùng cấm, giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng từ 3,27 eV xuống còn khoảng 2,95 eV. Điều này mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng hiệu quả kích thích electron. Đồng thời, cacbon làm giảm tốc độ tái hợp electron-lỗ trống, được chứng minh qua phổ huỳnh quang giảm cường độ, từ đó tăng cường hoạt tính xúc tác quang.

Kết quả phân hủy MB cho thấy vật liệu C/ZnO có hiệu suất xúc tác vượt trội so với ZnO nguyên chất, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp cacbon và các nguyên tố khác nhằm cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Sự kết đám hạt lớn ở nồng độ cacbon cao có thể làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc, ảnh hưởng nhẹ đến hiệu suất, do đó cần tối ưu hàm lượng cacbon.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis, phổ huỳnh quang, phổ hấp thụ MB theo thời gian và đồ thị động học phân hủy MB để minh họa rõ ràng sự cải thiện tính chất quang và hoạt tính xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng cacbon pha tạp: Khuyến nghị sử dụng nồng độ axit citric khoảng 0,05 mM để đạt hiệu suất xúc tác quang tối ưu, tránh hiện tượng kết đám hạt lớn làm giảm diện tích bề mặt.
  2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Áp dụng vật liệu C/ZnO trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các chất hữu cơ độc hại khác ngoài methylene blue, đánh giá hiệu quả thực tế tại các địa phương có mức độ ô nhiễm cao.
  3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Nghiên cứu và hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu C/ZnO với chi phí thấp, thân thiện môi trường, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của vật liệu.
  4. Kết hợp với các vật liệu khác: Thử nghiệm pha tạp đồng thời cacbon với các kim loại hoặc phi kim khác để tăng cường hiệu suất xúc tác quang, mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng và cải thiện tính bền vững.
  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu vật liệu, các trung tâm xử lý môi trường và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác quang nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và quang xúc tác: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về chế tạo và đặc tính vật liệu C/ZnO, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xúc tác quang.
  2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy chất hữu cơ độc hại bằng vật liệu C/ZnO giúp lựa chọn công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện môi trường.
  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano: Cơ sở kỹ thuật và quy trình chế tạo vật liệu C/ZnO với chi phí thấp, dễ áp dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp.
  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích đặc tính vật liệu và ứng dụng xúc tác quang trong môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu C/ZnO có ưu điểm gì so với ZnO nguyên chất?
    C/ZnO có vùng cấm năng lượng hẹp hơn (khoảng 2,95 eV so với 3,27 eV), hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn và giảm tốc độ tái hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ độc hại.

  2. Phương pháp chế tạo C/ZnO có phức tạp không?
    Quy trình sử dụng nguyên liệu thương mại, axit citric làm nguồn cacbon, kết hợp khuấy từ, ly tâm, sấy và ủ nhiệt dưới khí Nitơ ở 500°C trong 2 giờ, đơn giản, chi phí thấp và thân thiện môi trường.

  3. Hiệu quả phân hủy methylene blue của C/ZnO như thế nào?
    Mẫu C/ZnO với nồng độ cacbon tối ưu có thể phân hủy đến khoảng 90% methylene blue sau 30 phút chiếu sáng UV, vượt trội so với ZnO nguyên chất chỉ đạt khoảng 60%.

  4. Cacbon ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc vật liệu?
    Cacbon tạo lớp phủ trên bề mặt hạt ZnO, làm tăng kích thước hạt, giảm kích thước tinh thể và tạo các mức tạp chất sâu trong vùng cấm, giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và cải thiện tính chất quang.

  5. Vật liệu C/ZnO có thể ứng dụng trong điều kiện ánh sáng tự nhiên không?
    Có, vật liệu C/ZnO mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, cho phép hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp cho các ứng dụng xử lý nước thải ngoài trời.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu nano composite C/ZnO với các hàm lượng cacbon khác nhau bằng phương pháp khuấy từ, ly tâm và ủ nhiệt trong môi trường Nitơ.
  • Cacbon pha tạp làm giảm vùng cấm năng lượng từ 3,27 eV xuống còn khoảng 2,95 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Vật liệu C/ZnO giảm tốc độ tái hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang phân hủy methylene blue lên đến 90% sau 30 phút chiếu sáng UV.
  • Kích thước hạt và cấu trúc vật liệu thay đổi theo hàm lượng cacbon, cần tối ưu để tránh hiện tượng kết đám hạt lớn làm giảm diện tích bề mặt.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế, phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn và phối hợp pha tạp với các nguyên tố khác để nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình chế tạo và đánh giá vật liệu C/ZnO trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời phát triển các nghiên cứu mở rộng nhằm tối ưu hóa và thương mại hóa vật liệu này.