I. Giới thiệu về vật liệu nano TiO2
Vật liệu nano TiO2 là một trong những chất xúc tác quang hóa phổ biến nhất hiện nay. Với cấu trúc tinh thể đa dạng, bao gồm các pha rutile, anatase và brookite, TiO2 có nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường. Đặc biệt, TiO2 có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như methyl da cam nhờ vào cơ chế quang xúc tác. Nghiên cứu cho thấy, TiO2 có hoạt tính xúc tác cao, ổn định hóa học và không độc hại, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong xử lý nước và không khí. Việc chế tạo vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp chiếu xạ không chỉ giúp cải thiện tính chất quang xúc tác mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.
1.1 Cấu trúc và tính chất của TiO2
Cấu trúc tinh thể của TiO2 được hình thành từ các đa diện phối trí TiO6, với các pha rutile và anatase có cấu trúc tứ giác. Các tính chất vật lý của TiO2 như độ cứng, khả năng chịu nhiệt và tính ổn định hóa học làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Đặc biệt, TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn, điều này hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, một yếu tố quan trọng trong quá trình quang xúc tác. Việc biến tính TiO2 bằng kim loại hoặc phi kim có thể làm giảm bề rộng vùng cấm, từ đó cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu quả quang xúc tác.
II. Phương pháp chiếu xạ trong chế tạo vật liệu nano
Phương pháp chiếu xạ là một trong những kỹ thuật hiệu quả để chế tạo vật liệu nano TiO2. Sử dụng tia gamma từ nguồn γCo-60, quá trình chiếu xạ giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất quang học cải thiện. Nghiên cứu cho thấy, việc chiếu xạ không chỉ làm tăng diện tích bề mặt của TiO2 mà còn tạo ra các vị trí hoạt động mới, giúp tăng cường khả năng xúc tác quang hóa. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, TiO2 được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ có hiệu suất phân hủy methyl da cam cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp chiếu xạ là một lựa chọn tiềm năng trong việc phát triển các vật liệu nano cho ứng dụng môi trường.
2.1 Nguyên tắc của phương pháp chiếu xạ
Nguyên tắc của phương pháp chiếu xạ dựa trên việc sử dụng bức xạ ion hóa để kích thích các nguyên tử trong vật liệu. Khi TiO2 được chiếu xạ, các electron trong cấu trúc tinh thể sẽ bị kích thích, tạo ra các lỗ trống và electron tự do. Những lỗ trống này có khả năng oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ như methyl da cam. Quá trình này không chỉ làm tăng hiệu quả quang xúc tác mà còn tạo ra các sản phẩm phân hủy an toàn cho môi trường. Việc tối ưu hóa các điều kiện chiếu xạ như thời gian và cường độ bức xạ là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong việc chế tạo vật liệu nano TiO2.
III. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2 trong phân hủy methyl da cam
Vật liệu nano TiO2 sau khi chế tạo có khả năng ứng dụng mạnh mẽ trong việc phân hủy methyl da cam, một hợp chất hữu cơ độc hại. Nghiên cứu cho thấy, TiO2 có thể phân hủy methyl da cam hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời nhờ vào cơ chế quang xúc tác. Các yếu tố như thời gian chiếu sáng, nồng độ methyl da cam và hàm lượng vật liệu đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tăng hàm lượng TiO2, hiệu suất phân hủy methyl da cam cũng tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu quả cao nhất trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.
3.1 Hiệu quả quang xúc tác của vật liệu Pt TiO2
Vật liệu Pt/TiO2 được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ cho thấy hiệu quả quang xúc tác vượt trội trong việc phân hủy methyl da cam. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu này có khả năng phân hủy methyl da cam cao hơn so với TiO2 thông thường. Sự hiện diện của Pt trong cấu trúc TiO2 giúp giảm năng lượng vùng cấm, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Các thí nghiệm cho thấy, hiệu suất phân hủy methyl da cam có thể đạt tới 90% trong điều kiện tối ưu, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý ô nhiễm nước.
