Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Nano Composite NiFe2O4/g-C3N4

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) là một vật liệu bán dẫn có cấu trúc lớp, độ bền hóa học cao và khả năng hoạt động như một chất xúc tác đa chức. Cấu trúc của g-C3N4 được hình thành từ các đơn vị s-heptazine dạng hexagonal. Theo Bojdys [7], tinh thể g-C3N4 được hình thành dựa trên các đơn lớp với mỗi đơn lớp là sự sắp xếp của các đơn vị s-heptazine dạng hexagonal với các thông số mạng tinh thể là a=b=8,434 Å, c=6,722 Å, tương ứng với kiểu sắp xếp ABAB. g-C3N4 có nhiều ưu điểm, tuy nhiên diện tích bề mặt riêng thấp, khả năng linh động của các hạt mang điện thấp, sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống cao, và hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến kém là những hạn chế cần khắc phục.

g-C3N4 sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội trong lĩnh vực quang xúc tác, bao gồm độ bền hóa học cao, khả năng hoạt động như một chất xúc tác đa chức và hiệu suất quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, g-C3N4 cũng tồn tại những hạn chế đáng kể như diện tích bề mặt riêng thấp, khả năng linh động của các hạt mang điện kém, sự tái tổ hợp nhanh chóng của electron-hole pairs, và khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến còn hạn chế. Những yếu tố này làm giảm hiệu quả của g-C3N4 trong các ứng dụng xúc tác thực tế.

Để nâng cao hiệu quả quang xúc tác của g-C3N4, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng, bao gồm pha tạp các nguyên tố kim loại hoặc phi kim, tạo nano composite với các chất bán dẫn khác, và biến đổi cấu trúc bề mặt. Việc pha tạp giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái tổ hợp electron-hole pairs. Tạo vật liệu composite tạo ra cấu trúc điện tử mới, tăng cường khả năng chuyển điện tích và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng. Theo nghiên cứu của Jiuqing Wen [15], việc kết hợp g-C3N4 với các chất bán dẫn khác để tạo composite sẽ tạo thành một cấu trúc điện tử mới nhờ sự hình thành giao diện phân cách pha. Cấu trúc điện tử của vật liệu composite phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và thế của vùng dẫn (CB) và vùng hoá trị (VB) trong chất bán dẫn.

Việc tạo nano composite NiFe2O4/g-C3N4 kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu. NiFe2O4 là một oxit kim loại có tính từ, giúp dễ dàng thu hồi vật liệu sau phản ứng. Việc kết hợp này có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, tăng diện tích bề mặt, giảm tái tổ hợp electron-hole pairs và nâng cao hiệu suất quang xúc tác. NiFe2O4 có tính từ giúp quá trình tách và tái sử dụng vật liệu dễ dàng hơn sau khi phân hủy chất ô nhiễm.

Luận văn sử dụng quy trình tổng hợp được mô tả chi tiết ở Chương II. Đầu tiên, mẫu NiFe2O4 được tổng hợp. Sau đó, vật liệu composite NiFe2O4/g-C3N4 được tạo thành. Cần kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, và tỷ lệ thành phần để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của nano composite. Các phương pháp này ảnh hưởng lớn đến kích thước hạt nano, sự phân bố của NiFe2O4 trên bề mặt g-C3N4 và do đó ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác.

Các kỹ thuật đặc trưng hóa như XRD, SEM, TEM, EDX, UV-Vis DRS, FT-IR và VMS được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất quang học của nano composite NiFe2O4/g-C3N4. XRD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể. SEM và TEM cho phép quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt nano. EDX xác định thành phần nguyên tố. UV-Vis DRS đo khả năng hấp thụ ánh sáng. FT-IR phân tích các nhóm chức. VMS đo tính chất từ. Kết quả phân tích XRD cho thấy, trong khoảng nhiệt độ khảo sát (từ 450 ÷ 550oC), mẫu được nung ở 500 oC có cường độ nhiễu xạ ở các góc 2 là 13,2o (100) và 27,3o (002) cao và sắc nét nhất, đặc trưng cho là sự tạo thành của g-C3N4 [3].

Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như khối lượng xúc tác, lượng H2O2 và nồng độ RhB đến hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm. Kết quả cho thấy có sự tối ưu về khối lượng vật liệu xúc tác, lượng chất oxy hóa và nồng độ chất ô nhiễm để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Bên cạnh đó, chất ức chế như Ascorbic acid, EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) và Isopropyl alcohol (IPA) cũng được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy RhB.

Phản ứng phân hủy RhB tuân theo động học bậc nhất Langmuir-Hinshelwood. Hằng số tốc độ phản ứng (k) được xác định để so sánh hoạt tính của các vật liệu khác nhau. Nano composite NiFe2O4/g-C3N4 cho thấy hằng số tốc độ phản ứng cao hơn so với g-C3N4 tinh khiết, chứng tỏ hiệu quả quang xúc tác được cải thiện. Kết quả cho thấy, khi có mặt mẫu ACN-10, hiệu suất phân huỷ OTC đạt cao nhất (79,3%) sau 60 phút chiếu sáng. Phản ứng phân huỷ OTC trên các chất xúc tác tuân theo phương trình động học bậc 1. Hằng số tốc độ phản ứng giảm theo trật tự sau: ACN-10 (0,029 phút-1) > ACN-30 (0,027 phút-1) > ACN-5 (0,02 phút-1) > CN (0,012 phút-1).

Sử dụng nam châm để tách nano composite NiFe2O4/g-C3N4 ra khỏi dung dịch sau phản ứng. Quy trình thu hồi cần được thực hiện cẩn thận để tránh mất mát vật liệu. Tính từ của NiFe2O4 giúp quá trình thu hồi trở nên đơn giản và hiệu quả hơn so với các vật liệu quang xúc tác khác.

Thực hiện phản ứng phân hủy RhB nhiều lần với cùng một lượng nano composite NiFe2O4/g-C3N4 đã được thu hồi. Đo hiệu suất phân hủy sau mỗi lần tái sử dụng để đánh giá độ ổn định của vật liệu. Sự suy giảm hoạt tính quang xúc tác có thể do mất vật liệu, sự thay đổi cấu trúc bề mặt hoặc sự tích tụ chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu.

Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, bao gồm thuốc nhuộm, hóa chất, và các chất hữu cơ khác. Xác định thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm này để đánh giá hiệu quả xử lý của nano composite. Nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm có mức ô nhiễm cao và rất độc cho hệ sinh thái nước. Loại nước thải này chứa nhiều thành phần độc hại, độ màu cao, hoá chất, độ kiềm và độ pH cao, tiềm ẩn nhiều nguy hiểm đối với con người và hệ sinh thái.

So sánh hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm của nano composite NiFe2O4/g-C3N4 với các vật liệu quang xúc tác khác, chẳng hạn như TiO2 và ZnO. Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của từng vật liệu trong ứng dụng thực tế. Các phương pháp xử lý nước, trong đó có phương pháp oxi hoá nâng cao dựa trên các chất quang xúc tác.