I. Hoạt tính quang xúc tác
Hoạt tính quang xúc tác là khả năng của vật liệu kích hoạt phản ứng hóa học dưới tác động của ánh sáng. Trong nghiên cứu này, LaMnO3 được sử dụng làm chất xúc tác quang để phân hủy phenol. Kết quả cho thấy, LaMnO3 có hiệu suất xúc tác cao nhất ở nhiệt độ nung 800°C trong 3 giờ, với độ chuyển hóa phenol đạt 10,53%. Điều này chứng tỏ hoạt tính quang xúc tác của LaMnO3 phụ thuộc mạnh vào điều kiện tổng hợp vật liệu.
1.1. Cơ chế quang xúc tác
Cơ chế quang xúc tác của LaMnO3 dựa trên việc hấp thụ ánh sáng khả kiến, tạo ra các electron và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Các hạt tải này tham gia vào quá trình oxy hóa phenol, phân hủy thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Nghiên cứu chỉ ra rằng, LaMnO3 có năng lượng vùng cấm từ 0,95 eV đến 1 eV, phù hợp để hấp thụ ánh sáng khả kiến.
1.2. Ảnh hưởng của pH
pH dung dịch ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang xúc tác của LaMnO3. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở pH=5, hiệu suất phân hủy phenol đạt cao nhất (11,25%). Điều này được giải thích do sự thay đổi điện tích bề mặt của vật liệu, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và phản ứng của phenol.
II. Phân hủy phenol
Phân hủy phenol là quá trình chuyển hóa phenol thành các hợp chất ít độc hại hơn. Trong nghiên cứu này, LaMnO3 được sử dụng để phân hủy phenol trong điều kiện ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy, LaMnO3 biến tính với Ni (5%) và Fe (5%) có hiệu suất phân hủy phenol lần lượt là 29,1% và 21,7%. Điều này chứng tỏ việc biến tính LaMnO3 với kim loại chuyển tiếp cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác.
2.1. Động học phân hủy
Động học quá trình phân hủy phenol tuân theo phương trình bậc 1 với hằng số tốc độ k=0,000386 phút-1. Khi biến tính LaMnO3 với Ni, hằng số tốc độ tăng lên 0,000511 phút-1, cho thấy sự cải thiện hiệu suất phân hủy. Điều này phù hợp với kết quả thực nghiệm về hiệu suất phân hủy cao hơn của LaMn0.95Ni0.05O3.
2.2. Ảnh hưởng của nồng độ phenol
Nồng độ phenol trong dung dịch ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy phenol. Khi nồng độ phenol giảm từ 50 ppm xuống 10 ppm, hiệu suất phân hủy tăng lên đáng kể. Điều này được giải thích do sự giảm tải lượng chất ô nhiễm trên bề mặt xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phản ứng.
III. Vật liệu LaMnO3
Vật liệu LaMnO3 là một loại perovskite có cấu trúc tinh thể lập phương, được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tham gia vào các phản ứng quang xúc tác. Nghiên cứu chỉ ra rằng, LaMnO3 có diện tích bề mặt riêng cao, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác.
3.1. Tổng hợp vật liệu
LaMnO3 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với tiền chất là muối nitrat của lanthan và mangan, cùng với acid citric làm chất tạo phức. Quá trình nung được thực hiện ở nhiệt độ từ 500°C đến 900°C. Kết quả cho thấy, LaMnO3 nung ở 800°C trong 3 giờ có cấu trúc tinh thể ổn định và hoạt tính quang xúc tác cao nhất.
3.2. Biến tính vật liệu
Biến tính LaMnO3 với Ni và Fe giúp cải thiện hoạt tính quang xúc tác. Kết quả cho thấy, LaMn0.95Ni0.05O3 và LaMn0.95Fe0.05O3 có hiệu suất phân hủy phenol cao hơn so với LaMnO3 nguyên chất. Điều này được giải thích do sự thay đổi năng lượng vùng cấm và cấu trúc bề mặt của vật liệu.
IV. Ứng dụng thực tế
Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là phenol trong nước. LaMnO3 và các vật liệu biến tính của nó có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, nhờ khả năng phân hủy phenol hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến.
4.1. Xử lý ô nhiễm
LaMnO3 có thể được sử dụng để xử lý phenol trong nước thải công nghiệp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải sử dụng quang xúc tác.
4.2. Triển vọng tương lai
Việc biến tính LaMnO3 với các kim loại chuyển tiếp như Ni và Fe mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và ứng dụng thực tế của vật liệu này.
