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 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 so với TiO2, độ bền nhiệt cao, không độc hại và chi phí thấp. Tuy nhiên, ZnO có năng lượng vùng cấm lớn (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. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2021, với mục tiêu nâng cao hiệu suất phân hủy chất hữu cơ độc hại dưới ánh sáng khả kiến.

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 độ rộng vùng cấm khoảng 3,27 eV. Vùng cấm này quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả quang xúc tác của vật liệu.

  • Mô hình quang xúc tác dị thể: Khi chiếu sáng với photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng vùng cấm, electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các hạt tải này di chuyển đến bề mặt và tham gia phản ứng oxy hóa-khử, tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như superoxide (O2–) và hydroxyl (OH*), phân hủy các chất hữu cơ thành CO2 và H2O.

  • 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 quang xúc tác.

  • Các khái niệm chính: Vùng cấm năng lượng (Eg), quang xúc tác, electron-lỗ trống, gốc oxy hóa (O2–, OH*), pha tạp (doping), 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. Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm và phân tích vật liệu.

  • Quy trình chế tạo: ZnO được phân tán trong dung dịch axit citric với các nồng độ mol 0,025; 0,05; 0,1 và 0,2 mM, khuấy từ 12 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó, vật liệu được quay ly tâm, rửa sạch và sấy khô ở 80°C. Tiếp theo, mẫu được ủ nhiệt trong môi trường Nitơ ở 500°C trong 2 giờ để cacbon thẩm thấu vào cấu trúc ZnO, tạo thành vật liệu C/ZnO.

  • Phương pháp phân tích:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.
    • Phổ tán sắc năng lượng (EDS) phân tích thành phần nguyên tố.
    • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ và tính toán vùng cấm năng lượng.
    • Phổ huỳnh quang (PL) đánh giá tốc độ tái kết hợp electron-lỗ trống.
    • Phổ hấp thụ UV-Vis theo dõi quá trình phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng UV và khả kiến.

  • Phương pháp phân tích dữ liệu: Kích thước hạt tính theo công thức Debye-Scherrer từ phổ XRD. Vùng cấm năng lượng xác định từ đồ thị Kubelka-Munk. Động học phân hủy MB được mô hình hóa theo thời gian chiếu xạ.

  • Cỡ mẫu: Nhiều mẫu C/ZnO với các nồng độ cacbon khác nhau (S025, S05, S1, S2) và mẫu ZnO thương mại (S0) làm đối chứng.

  • Timeline nghiên cứu: Chế tạo và phân tích vật liệu trong năm 2021 tại Trường Đại học Quy Nhơn và phòng thí nghiệm liên kết tại Hàn Quốc.

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 (S0) sang xám đậm và gần như đen (S2) khi tăng nồng độ axit citric, chứng tỏ sự tồn tại và tăng hàm lượng cacbon.
    • Kích thước hạt nano tăng từ 50-100 nm (S0) lên khoảng 400 nm (S2) do sự kết đám và hình thành lớp kẽm citrate bao phủ bề mặt hạt ZnO.
    • Phổ EDS cho thấy thành phần cacbon tăng dần từ 0% (S0) đến khoảng 15% nguyên tử (S2), trong khi Zn và O giảm tương ứng.
    • Phổ XRD xác nhận cấu trúc wurtzite lục giác của ZnO được giữ nguyên, kích thước tinh thể giảm nhẹ từ 38,7 nm (S0) xuống 36,1 nm (S2), đồng thời không phát hiện đỉnh graphit, cho thấy cacbon tồn tại ở dạng vô định hình.

  2. Tính chất quang học và vùng cấm năng lượng:

    • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis cho thấy bờ hấp thụ dịch chuyển đỏ từ 3,27 eV (S0) xuống 2,95 eV (S2), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến.
    • Mẫu S025 có bờ hấp thụ phụ tại 720 nm, chỉ ra sự hình thành mức tạp chất sâu trong vùng cấm do pha tạp cacbon và khuyết oxy.
    • Phổ huỳnh quang giảm cường độ theo hàm lượng cacbon, chứng tỏ tốc độ tái kết hợp electron-lỗ trống giảm, tăng hiệu quả phân tách hạt tải quang sinh.

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

    • Sau 30 phút khuấy trong bóng tối, các mẫu C/ZnO hấp phụ MB tốt hơn mẫu ZnO thương mại, với khả năng hấp phụ tăng theo hàm lượng cacbon.
    • Dưới chiếu xạ UV (365 nm), mẫu S05 phân hủy MB đạt hiệu suất cao hơn 30% so với mẫu S0 sau 90 phút chiếu xạ.
    • Dưới ánh sáng khả kiến, mẫu S05 cũng thể hiện hiệu quả phân hủy MB vượt trội so với ZnO nguyên chất, nhờ vùng hấp thụ mở rộng và giảm tái kết hợp hạt tải.
    • Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu ổn định qua ít nhất 3 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính bền vững của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hàm lượng cacbon trong vật liệu C/ZnO làm thay đổi rõ rệt hình thái bề mặt và kích thước hạt, do sự hình thành lớp kẽm citrate và cacbon vô định hình bao phủ hạt ZnO. Điều này góp phần làm tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Vùng cấm năng lượng giảm dần khi tăng cacbon, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, điều này rất quan trọng để tận dụng hiệu quả ánh sáng mặt trời trong ứng dụng quang xúc tác.

Phổ huỳnh quang giảm cường độ cho thấy sự giảm tốc độ tái kết hợp electron-lỗ trống, giúp tăng thời gian sống của các hạt tải quang sinh, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy chất hữu cơ. Kết quả phân hủy methylene blue dưới ánh sáng UV và khả kiến cho thấy vật liệu C/ZnO có hoạt tính xúc tác quang vượt trội so với ZnO nguyên chất, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp cacbon và các nguyên tố khác vào ZnO.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ UV-Vis, phổ huỳnh quang, đồ thị động học phân hủy MB theo thời gian và bảng tổng hợp thành phần nguyên tố EDS để minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của cacbon đến tính chất vật liệu và hiệu quả xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng cacbon trong vật liệu C/ZnO:

    • Thực hiện nghiên cứu sâu hơn để xác định nồng độ cacbon tối ưu nhằm cân bằng giữa kích thước hạt, vùng cấm năng lượng và hiệu suất xúc tác.
    • Thời gian: 6-12 tháng.
    • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật liệu và hóa học.

  2. Phát triển quy trình chế tạo quy mô lớn:

    • Nghiên cứu chuyển giao công nghệ chế tạo vật liệu C/ZnO với quy mô công nghiệp, đảm bảo tính đồng nhất và chi phí hợp lý.
    • Thời gian: 12-18 tháng.
    • Chủ thể: Viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  3. Ứng dụng vật liệu C/ZnO trong xử lý nước thải công nghiệp:

    • Thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải để đánh giá hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ độc hại dưới ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Các trung tâm môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  4. Nâng cao tính bền vững và tái sử dụng vật liệu:

    • Nghiên cứu cải tiến vật liệu để tăng tuổi thọ, khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu suất xúc tác.
    • Thời gian: 6-12 tháng.
    • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật liệu và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và quang xúc tác:

    • Lợi ích: Hiểu rõ cơ chế pha tạp cacbon vào ZnO, phương pháp chế tạo và ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.
    • Use case: Phát triển vật liệu xúc tác quang mới cho ứng dụng môi trường.

  2. Chuyên gia xử lý môi trường và nước thải:

    • Lợi ích: Áp dụng vật liệu C/ZnO trong xử lý nước thải công nghiệp, nâng cao hiệu quả phân hủy chất hữu cơ độc hại.
    • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sử dụng xúc tác quang.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị quang điện tử:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ chế tạo vật liệu composite C/ZnO, mở rộng ứng dụng trong pin mặt trời, diode phát quang và cảm biến khí.
    • Use case: Sản xuất vật liệu quang hoạt cải tiến, nâng cao hiệu suất thiết bị.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, phân tích dữ liệu và cách trình bày luận văn khoa học.
    • Use case: Học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến vật liệu bán dẫn và xúc tác quang.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần pha tạp cacbon vào ZnO?
    Pha tạp cacbon giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng của ZnO từ 3,27 eV xuống khoảng 2,95 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời.

  2. Phương pháp chế tạo vật liệu C/ZnO trong nghiên cứu là gì?
    Vật liệu được chế tạo bằng cách khuấy ZnO thương mại trong dung dịch axit citric với các nồng độ khác nhau, sau đó ủ nhiệt ở 500°C trong môi trường Nitơ để cacbon thẩm thấu vào cấu trúc ZnO.

  3. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả xúc tác quang của vật liệu?
    Hiệu quả được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue dưới ánh sáng UV và khả kiến, đo bằng phổ UV-Vis theo dõi sự giảm nồng độ chất nhuộm theo thời gian chiếu xạ.

  4. Vật liệu C/ZnO có bền vững khi sử dụng nhiều lần không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được hiệu suất phân hủy MB ổn định qua ít nhất 3 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính bền vững và khả năng tái sử dụng tốt.

  5. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu C/ZnO ngoài xử lý nước thải là gì?
    Ngoài xử lý nước thải, vật liệu có thể ứng dụng trong pin mặt trời lai, diode phát quang, cảm biến khí và màng dẫn điện trong suốt, nhờ tính chất quang và điện tử ưu việt.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu nano composite C/ZnO với các hàm lượng cacbon khác nhau, giữ được cấu trúc wurtzite của ZnO.
  • Pha tạp cacbon làm giảm kích thước tinh thể, tăng kích thước hạt tổng thể và tạo lớp cacbon vô định hình bao phủ bề mặt.
  • Vùng cấm năng lượng giảm từ 3,27 eV xuống 2,95 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Hoạt tính xúc tác quang phân hủy methylene blue được cải thiện rõ rệt, với hiệu suất phân hủy tăng khoảng 30% so với ZnO nguyên chất.
  • Vật liệu có tính bền vững cao, giữ hiệu quả xúc tác qua nhiều chu kỳ sử dụng.

Next steps: Tiếp tục tối ưu hóa hàm lượng cacbon, mở rộng quy mô chế tạo và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp. Khuyến khích hợp tác nghiên cứu đa ngành để phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả hơn.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ xử lý môi trường và vật liệu quang xúc tác được mời tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu này để góp phần bảo vệ môi trường bền vững.