I. Tổng quan về quang xúc tác trên cơ sở TiO2
Quang xúc tác là một quá trình quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. TiO2 là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực này. Vật liệu này có cấu trúc tinh thể đa dạng, chủ yếu là anatase và rutile, với các tính chất quang học đặc biệt. Cấu trúc của TiO2 cho phép nó hấp thụ ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống, từ đó tham gia vào các phản ứng oxy hóa. Quá trình quang xúc tác diễn ra qua nhiều giai đoạn, từ việc hấp phụ các chất ô nhiễm đến việc tạo ra các sản phẩm cuối cùng. Các yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc và điều kiện phản ứng đều ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác của TiO2.
1.1 Cấu trúc và tính chất của Titan đioxit
TiO2 có ba dạng tinh thể chính: anatase, rutile và brookite. Trong đó, anatase được biết đến với hoạt tính quang hóa cao hơn. Cấu trúc của TiO2 cho phép nó hoạt động hiệu quả trong quá trình quang xúc tác. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh cấu trúc và kích thước của TiO2 có thể nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu sự tái kết hợp của electron và lỗ trống, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Việc bổ sung các kim loại hoặc phi kim vào mạng tinh thể của TiO2 cũng là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất quang học của vật liệu này.
1.2 Cơ chế của phản ứng quang hoá trên cơ sở TiO2
Quá trình quang xúc tác trên cơ sở TiO2 diễn ra qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ việc hấp phụ ánh sáng và tạo ra electron và lỗ trống. Các electron này tham gia vào các phản ứng oxy hóa, tạo ra các gốc hydroxyl và superoxit, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Cơ chế này cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, như pH và nồng độ oxy, có thể nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các chất thu nhận electron có thể kéo dài thời gian sống của lỗ trống, từ đó tăng cường khả năng phân hủy chất ô nhiễm.
II. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 CNT ZnO SiO2
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở TiO2, CNT, ZnO, và SiO2. Các vật liệu này được lựa chọn vì tính chất quang học và khả năng tương tác với ánh sáng. Việc kết hợp TiO2 với CNT giúp cải thiện khả năng dẫn điện và giảm thiểu sự tái kết hợp của electron và lỗ trống. Các thí nghiệm cho thấy rằng sự hiện diện của ZnO và SiO2 cũng có thể nâng cao hiệu suất quang xúc tác của hệ vật liệu. Kết quả cho thấy rằng các hệ vật liệu tổ hợp này có thể xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm trong môi trường nước.
2.1 Tổng hợp vật liệu ống nano TiO2
Quá trình tổng hợp vật liệu ống nano TiO2 được thực hiện thông qua các phương pháp như sol-gel và thủy nhiệt. Các phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và cấu trúc của hạt nano, từ đó nâng cao khả năng quang xúc tác. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp, như nhiệt độ và thời gian, có thể tạo ra các hạt nano với tính chất quang học tốt hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2 dạng nano có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với dạng vi tinh thể, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác.
2.2 Đánh giá hoạt tính quang hóa của xúc tác
Hoạt tính quang hóa của các hệ vật liệu được đánh giá thông qua các thí nghiệm phân hủy chất ô nhiễm như methylene blue. Kết quả cho thấy rằng sự kết hợp giữa TiO2 và CNT tạo ra hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Các yếu tố như nồng độ chất ô nhiễm, pH và cường độ ánh sáng đều ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách tối ưu hóa các hệ vật liệu để nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm môi trường.
