Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Ống Nano TiO2 Biến Tính Bằng NiO Và CuO

Titan đioxit (TiO2), hay còn gọi là titania, là oxit tự nhiên của titan. Ở dạng hạt mịn kích thước nano, TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong pin mặt trời, cảm biến và đặc biệt là vật liệu quang xúc tác xử lý môi trường. TiO2 có nhiều dạng thù hình như anatase, rutile và brookite, trong đó rutile là dạng bền nhất. Các dạng tinh thể này đều có cấu trúc từ các đa diện phối trí tám mặt TiO6. Vật liệu TiO2 có những tính chất lý hóa đặc biệt, cấu trúc bền và không độc hại.

TiO2 được xem là chất xúc tác quang lý tưởng nhờ tính bền hóa học và khả năng oxi hóa cao của lỗ trống sinh ra. Thế oxi hóa của lỗ trống trên bề mặt TiO2 là +2,53V (so với điện cực hydro chuẩn), đủ mạnh để tác dụng với nước hoặc ion hydroxit tạo thành gốc hydroxyl tự do. Đồng thời, thế khử của electron trên vùng dẫn là -0,52V, đủ để khử oxi thành anion superoxit. Cơ chế này đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.

Khi TiO2 được chiếu xạ bằng ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm, các electron từ vùng hóa trị (VB) sẽ nhảy lên vùng dẫn (CB), tạo ra cặp electron - lỗ trống. Cặp này có thể tái hợp, sinh ra nhiệt hoặc di chuyển đến bề mặt để tương tác với các chất cho và nhận electron. Quá trình tương tác này là cơ sở cho khả năng quang xúc tác của TiO2 trong việc phân hủy các chất ô nhiễm.

Một trong những yếu tố chính hạn chế hiệu suất quang xúc tác của TiO2 là sự tái hợp nhanh chóng của electron và lỗ trống. Sự tái hợp này làm giảm số lượng các hạt tải điện có khả năng tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt vật liệu, do đó làm giảm hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm.

Mục tiêu của việc biến tính TiO2 bằng NiO và CuO là nhằm tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái hợp electron-lỗ trống. NiO và CuO là các oxit bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ hơn TiO2, do đó có thể hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài hơn, mở rộng vùng hoạt động của vật liệu quang xúc tác.

Các oxit kim loại như NiO và CuO có thể tạo thành các dị cấu trúc với TiO2, giúp tạo ra các bẫy electron hoặc lỗ trống, làm chậm quá trình tái hợp. Đồng thời, sự có mặt của NiO và CuO có thể cải thiện khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm lên bề mặt vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy chất ô nhiễm.

Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tổng hợp ống nano TiO2 (TNT). Quá trình này bao gồm việc xử lý TiO2 trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra cấu trúc ống nano. Kích thước và hình dạng của ống nano có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số như nồng độ kiềm, nhiệt độ và thời gian phản ứng.

Biến tính TiO2 bằng NiO và CuO thường được thực hiện bằng phương pháp tẩm ướt. TiO2 sau khi được tổng hợp sẽ được tẩm trong dung dịch chứa muối niken hoặc đồng, sau đó nung ở nhiệt độ cao để tạo thành các oxit NiO và CuO trên bề mặt TiO2. Nồng độ muối kim loại và nhiệt độ nung ảnh hưởng đến hàm lượng và sự phân bố của NiO và CuO.

Việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, nồng độ hóa chất và pH là rất quan trọng trong quá trình tổng hợp. Các yếu tố này ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng, cấu trúc tinh thể và sự phân bố của các oxit kim loại trên bề mặt TiO2. Sự tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp cải thiện hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.

Nhiễu xạ tia X (XRD) là kỹ thuật quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Phân tích XRD cho phép xác định pha tinh thể (anatase, rutile), kích thước tinh thể và độ kết tinh của TiO2 và các oxit kim loại NiO và CuO. Sự thay đổi trong mẫu XRD sau khi biến tính có thể cung cấp thông tin về sự hình thành các pha mới hoặc sự thay đổi kích thước tinh thể.

Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp hình ảnh trực tiếp về hình thái và kích thước của ống nano TiO2 và sự phân bố của NiO và CuO trên bề mặt. TEM cho phép quan sát cấu trúc ống nano, đo đường kính và chiều dài của ống, cũng như xác định sự có mặt của các hạt NiO và CuO và kích thước của chúng.

Phổ hấp thụ UV-Vis cung cấp thông tin về khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu trong vùng tử ngoại và khả kiến. Sự thay đổi trong phổ UV-Vis sau khi biến tính có thể chỉ ra sự thay đổi trong năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Điều này quan trọng để đánh giá hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.

Để đánh giá hoạt tính quang xúc tác, vật liệu được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như phenol, methylene blue, hoặc các hợp chất khác. Đo đạc sự giảm nồng độ của chất ô nhiễm theo thời gian dưới ánh sáng sẽ cho phép xác định hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm của vật liệu.

Nghiên cứu cần đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng NiO và CuO đến hiệu suất quang xúc tác. Việc tối ưu hóa hàm lượng oxit kim loại là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất. Hàm lượng quá thấp có thể không đủ để cải thiện hoạt tính quang xúc tác, trong khi hàm lượng quá cao có thể gây ra sự tái hợp electron-lỗ trống.

pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến sự hấp phụ của chất ô nhiễm lên bề mặt vật liệu và đến các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt. Nghiên cứu cần đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quang xúc tác để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý nước thải.

Vật liệu quang xúc tác có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải sử dụng năng lượng mặt trời. Ánh sáng mặt trời được sử dụng để kích hoạt quá trình quang xúc tác, phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Điều này đặc biệt hữu ích ở các vùng nông thôn hoặc các khu vực thiếu điện.

Vật liệu quang xúc tác có tiềm năng trong việc xử lý nước thải chứa các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy bằng các phương pháp truyền thống. Các chất này có thể được phân hủy thành các chất vô hại như CO2 và H2O thông qua quá trình quang xúc tác.

Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu quang xúc tác có khả năng tái sử dụng và độ bền cao. Điều này sẽ giảm chi phí và tác động môi trường của quá trình xử lý nước thải. Các phương pháp cố định vật liệu trên các giá đỡ hoặc tạo màng quang xúc tác có thể giúp cải thiện khả năng tái sử dụng.