Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng và đô thị hóa gia tăng, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do các chất màu hữu cơ độc hại, trở thành vấn đề cấp thiết cần giải quyết. Theo ước tính, các phương pháp truyền thống như lọc, keo tụ, hấp phụ tuy phổ biến nhưng thường tiêu tốn nhiều năng lượng và có nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp. Do đó, nghiên cứu và phát triển các vật liệu quang xúc tác có khả năng phân hủy các chất màu hữu cơ trong nước thải là hướng đi quan trọng và thiết thực.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc cũng như tính chất quang xúc tác của hạt nano composit ZrO2.CuO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt. Mục tiêu cụ thể bao gồm: tổng hợp vật liệu nano composit ZrO2/CuO không và có pha tạp Ce, xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu, và đánh giá hiệu quả quang xúc tác phân hủy chất màu xanh metylen (MB) trong điều kiện chiếu sáng và không chiếu sáng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2020 tại Đại học Thái Nguyên và các phòng thí nghiệm liên kết.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu quang xúc tác mới có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến với năng lượng vùng cấm trong khoảng 1,333 - 1,409 eV, giúp nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường nước. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực quang xúc tác, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải thân thiện và hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết vùng cấm năng lượng (Band Gap Theory): Giải thích cơ chế hoạt động của vật liệu bán dẫn trong quang xúc tác, trong đó ánh sáng kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo ra cặp electron-lỗ trống, thúc đẩy các phản ứng oxi hóa-khử trên bề mặt vật liệu.

  • Mô hình quang xúc tác bán dẫn: Phản ứng quang xúc tác xảy ra khi photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm kích thích electron, tạo ra các gốc tự do như HO●, ●O2- có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ.

  • Khái niệm vật liệu nano composit: Sự kết hợp của các oxit kim loại ZrO2, CuO và pha tạp Ce nhằm cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  • Phương pháp thủy nhiệt: Sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường dung môi kín để tổng hợp hạt nano có kích thước đồng đều, tinh khiết, phù hợp cho việc điều chế vật liệu quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano composit ZrO2/CuO/x%Ce (x = 0, 2, 6, 8, 10) được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt tại phòng thí nghiệm Đại học Thái Nguyên và các thiết bị phân tích hiện đại tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.

  • Phương pháp tổng hợp: Hòa tan các muối tiền chất ZrCl4, Cu(NO3)2 và Ce(SO4)2 trong dung môi etanol-nước, kết tủa đồng thời với NaOH, sau đó xử lý thủy nhiệt ở 150 ℃ trong 20 giờ, sấy và nung ở 600 ℃ trong 5 giờ.

  • Phân tích cấu trúc: Sử dụng các kỹ thuật XRD để xác định pha tinh thể, FT-IR để khảo sát liên kết hóa học, SEM và TEM để quan sát hình thái và kích thước hạt, BET để đo diện tích bề mặt và kích thước mao quản.

  • Đánh giá tính chất quang xúc tác: Thử nghiệm phân hủy xanh metylen (MB) với nồng độ khoảng 2,3 mg/L trong điều kiện không chiếu sáng và chiếu sáng đèn Led 30W, khảo sát ảnh hưởng của thời gian, khối lượng vật liệu, nồng độ MB và nhiệt độ đến hiệu suất phân hủy.

  • Phân tích dữ liệu: Tính toán hiệu suất phân hủy MB theo công thức phần trăm, xây dựng đường chuẩn hấp thụ quang UV-Vis tại bước sóng 663 nm, xác định năng lượng vùng cấm Eg từ phổ UV-Vis-DRS.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu trong vòng 3 tháng, đánh giá tính chất quang xúc tác trong 2 tháng tiếp theo, hoàn thiện luận văn trong năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và pha tinh thể: Các vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce sau khi nung ở 600 ℃ tồn tại dưới dạng composit đa pha gồm ZrO2 (pha tetragonal), CuO (pha monoclinic) và CuZrO3. Tỉ lệ pha CuZrO3 giảm dần từ 41,9 % ở 2 % Ce xuống còn 18,8 % ở 10 % Ce, cho thấy pha tạp Ce ảnh hưởng đến thành phần pha (Bảng tỉ lệ pha).

  2. Diện tích bề mặt và kích thước mao quản: Vật liệu ZrO2/CuO/2%Ce có diện tích bề mặt 15,59 m²/g, lớn hơn so với 15,02 m²/g của vật liệu không pha tạp Ce. Kích thước mao quản cũng tăng từ 37,29 nm lên 43,15 nm, cho thấy pha tạp Ce giúp cải thiện diện tích tiếp xúc bề mặt, thuận lợi cho phản ứng quang xúc tác.

  3. Năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng: Phổ UV-Vis-DRS cho thấy bước sóng chuyển vùng hấp thụ của vật liệu composit nằm trong khoảng 880 - 930 nm, tương ứng năng lượng vùng cấm Eg từ 1,333 đến 1,409 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả.

  4. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB: Vật liệu ZrO2/CuO/2%Ce đạt hiệu suất phân hủy MB cao nhất, lên đến 64,7 % sau 210 phút chiếu sáng đèn Led 30W, cao hơn đáng kể so với 44,6 % của vật liệu không pha tạp Ce. Hiệu suất phân hủy tăng theo thời gian, khối lượng vật liệu và giảm khi nồng độ MB tăng.

Thảo luận kết quả

Việc pha tạp Ce vào vật liệu ZrO2/CuO đã làm thay đổi thành phần pha và cấu trúc vật liệu, giảm tỉ lệ pha CuZrO3 và tăng tỉ lệ pha ZrO2, đồng thời làm tăng diện tích bề mặt và kích thước mao quản. Điều này giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu nano ZrO2 và CuO riêng lẻ, composit pha tạp Ce cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất phân hủy chất màu MB. Kết quả này phù hợp với các báo cáo cho thấy pha tạp Ce làm tăng hiệu suất quang xúc tác nhờ khả năng chuyển đổi trạng thái oxi hóa Ce4+/Ce3+ và tăng cường hấp thụ ánh sáng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo thời gian, so sánh giữa các mẫu vật liệu với các nồng độ pha tạp Ce khác nhau, cũng như bảng tỉ lệ pha và thông số BET để minh họa sự thay đổi cấu trúc và tính chất vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ pha tạp Ce: Khuyến nghị sử dụng vật liệu ZrO2/CuO pha tạp 2 % mol Ce để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, đồng thời nghiên cứu thêm các nồng độ thấp hơn để tìm điểm cân bằng giữa cấu trúc và hiệu suất.

  2. Mở rộng ứng dụng xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu nano composit này trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa chất màu hữu cơ, đặc biệt trong ngành dệt nhuộm, với mục tiêu giảm nồng độ chất ô nhiễm xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 3-6 tháng.

  3. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả kinh tế, nhằm phục vụ sản xuất công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới.

  4. Nâng cao tính ổn định và tái sử dụng: Khuyến nghị nghiên cứu thêm về khả năng tái sử dụng vật liệu quang xúc tác và cải thiện độ bền cơ học, nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu trong các ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano composit, phương pháp thủy nhiệt và kỹ thuật phân tích hiện đại.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu quang xúc tác mới trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là các chất màu hữu cơ khó phân hủy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu quả xử lý và mở rộng thị trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng thông tin khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải và khuyến khích ứng dụng công nghệ xanh, thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu nano?
    Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp hạt nano đồng đều, tinh khiết với kích thước kiểm soát được, thao tác đơn giản và hiệu suất cao nhờ điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong hệ kín.

  2. Tại sao pha tạp Ce lại cải thiện hiệu suất quang xúc tác?
    Ce có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa Ce4+ và Ce3+, giúp giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy chất hữu cơ.

  3. Hiệu suất phân hủy MB được đo như thế nào?
    Hiệu suất được tính dựa trên sự giảm nồng độ MB trước và sau xử lý, đo bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm, với công thức phần trăm phân hủy dựa trên nồng độ ban đầu và sau phản ứng.

  4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu suất quang xúc tác ra sao?
    Hiệu suất phân hủy MB tăng khi tăng khối lượng vật liệu do tăng diện tích bề mặt xúc tác, tuy nhiên đến một mức nhất định sẽ bão hòa hoặc giảm do hiện tượng che khuất ánh sáng.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp không?
    Có, vật liệu nano composit ZrO2/CuO pha tạp Ce có khả năng phân hủy các chất màu hữu cơ trong nước thải, phù hợp cho các hệ thống xử lý nước thải ngành dệt nhuộm và công nghiệp liên quan.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano composit ZrO2/CuO/x%Ce bằng phương pháp thủy nhiệt với kích thước hạt đồng đều khoảng 20-50 nm.
  • Xác định cấu trúc đa pha gồm ZrO2 (tetragonal), CuO (monoclinic) và CuZrO3, với tỉ lệ pha thay đổi theo nồng độ pha tạp Ce.
  • Vật liệu có năng lượng vùng cấm trong khoảng 1,333 - 1,409 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả.
  • Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen đạt tối đa 64,7 % sau 210 phút chiếu sáng đèn Led 30W với vật liệu pha tạp 2 % Ce.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa nồng độ pha tạp, mở rộng ứng dụng xử lý nước thải và phát triển quy trình tổng hợp quy mô công nghiệp.

Luận văn mở ra hướng đi mới trong phát triển vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp theo để tạo ra các sản phẩm công nghệ xanh, bền vững.