Nghiên cứu hệ xúc tác titan trong quang phân hủy cinnamic acid

Ô nhiễm nguồn nước hiện nay đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các chất ô nhiễm như phẩm nhuộm, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là các hợp chất phenolic, đang gia tăng trong môi trường nước. Những hợp chất này không chỉ khó phân hủy mà còn gây hại cho vi sinh vật trong nước. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm nước là rất cần thiết. Phương pháp quang phân hủy với sự hỗ trợ của hệ xúc tác được xem là một giải pháp khả thi, giúp chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xúc tác titan trong quá trình quang phân hủy cinnamic acid, một hợp chất phenolic điển hình.

Phản ứng quang xúc tác là quá trình sử dụng ánh sáng để kích thích xúc tác nhằm phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Titan dioxide (TiO2) là một trong những xúc tác quang phổ biến nhất nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng UV và tính ổn định cao. Tuy nhiên, TiO2 có hạn chế trong việc hấp thụ ánh sáng khả kiến. Do đó, nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp TiO2 với các xúc tác titanate có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu suất phân hủy. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng xúc tác titanate có thể hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, mở ra hướng đi mới cho việc xử lý ô nhiễm nước.

Luận án đã tiến hành tổng hợp ba nhóm hệ xúc tác: TiO2, titanate và titanate/TiO2 bằng các phương pháp như sol-gel và thủy nhiệt. Các xúc tác titan này được khảo sát về tính chất hóa lý và hoạt tính quang trong phản ứng phân hủy cinnamic acid. Kết quả cho thấy rằng các xúc tác titanate có hoạt tính quang cao hơn so với TiO2 đơn thuần. Điều này cho thấy sự kết hợp giữa các loại xúc tác có thể tạo ra những hệ xúc tác hiệu quả hơn trong việc xử lý ô nhiễm nước. Việc phân tích các tính chất như diện tích bề mặt, kích thước hạt và cấu trúc tinh thể cũng đã được thực hiện để làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính quang của các xúc tác.

Động học của phản ứng phân hủy cinnamic acid trên các hệ xúc tác titan đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các yếu tố như nồng độ O2 hòa tan, cường độ ánh sáng và nồng độ cinnamic acid đều có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng. Kết quả cho thấy rằng tốc độ phản ứng tăng lên khi nồng độ O2 hòa tan và cường độ ánh sáng tăng. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu suất phân hủy cao nhất. Các phương trình động học đã được thiết lập để mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố này và tốc độ phản ứng, từ đó cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phát triển các hệ xúc tác hiệu quả hơn trong tương lai.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ xúc tác titan có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm nước thông qua quá trình quang phân hủy cinnamic acid. Các xúc tác titanate không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu suất phân hủy. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các xúc tác quang hiệu quả hơn, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là khảo sát thêm các loại xúc tác titan khác và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.