Nghiên Cứu Đặc Trưng Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Nano Composite CoFe2O4/Bentonite

Bentonite là một loại đất sét tự nhiên có cấu trúc lớp đặc biệt, diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi ion cao. Theo tài liệu, bentonite chứa chủ yếu là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicate liên kết với nhau bằng liên kết hydro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonite có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion. Nhờ những đặc tính này, bentonite được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, xây dựng, xử lý nước thải và đặc biệt là làm chất nền hỗ trợ cho các vật liệu quang xúc tác. Việc sử dụng bentonite làm chất nền có thể giúp phân tán tốt hơn các hạt nano, tăng diện tích tiếp xúc với chất ô nhiễm và cải thiện hiệu quả quang xúc tác tổng thể. Do bentonite chứa chủ yếu là MMT có cấu trúc gồm các lớp aluminosilicate liên kết với nhau bằng liên kết hydro, có các ion bù trừ điện tích tồn tại giữa các lớp nên bentonite có các tính chất đặc trưng: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion.

CoFe2O4, một loại spinel ferrite, là một vật liệu bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, mở ra tiềm năng ứng dụng trong quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời. Theo tài liệu, Cobalt ferrite (CoFe2O4) là một trong số các spinel và thuộc loại spinel đảo, trong đó vị trí bát diện (vị trí B) được chiếm bởi các ion Co2+, còn ion Fe3+ chiếm cả vị trí bát diện (vị trí B) và tứ diện (vị trí A). CoFe2O4 có lực kháng từ cao, độ bão hòa từ trung bình và dễ dàng tách ra khỏi môi trường phản ứng bằng từ trường. Tuy nhiên, kích thước nano và từ tính có thể gây kết tụ hạt. Do đó, việc kết hợp CoFe2O4 với bentonite tạo thành nano composite nhằm khắc phục nhược điểm này, đồng thời tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu.

Để khắc phục tình trạng kết tụ hạt, một giải pháp hiệu quả là phân tán các hạt nano CoFe2O4 trên một chất nền ổn định, chẳng hạn như bentonite. Theo tài liệu, nhiều công trình nghiên cứu đã phân tán các hạt nano ferrite trên các chất nền như diatomit, bentonit. Việc này không chỉ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của CoFe2O4 với chất ô nhiễm mà còn cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu. Cấu trúc lớp của bentonite cung cấp không gian cho các hạt nano phân bố đều, ngăn chặn sự kết tụ và duy trì hoạt tính quang xúc tác cao.

Phương pháp tổng hợp có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và các đặc trưng vật liệu khác của CoFe2O4, từ đó ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác. Theo tài liệu, một số phương pháp thường sử dụng để tổng hợp vật liệu CoFe2O4 như nhiệt dung môi [1], đồng kết tủa [ 3,5], sol-gel [6]. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp và kiểm soát chặt chẽ các điều kiện tổng hợp là yếu tố then chốt để tạo ra vật liệu nano composite có hiệu suất quang xúc tác tối ưu. Cần đánh giá kỹ lưỡng các phương pháp khác nhau để tìm ra phương pháp phù hợp nhất với mục tiêu nghiên cứu.

Để đạt được hiệu quả quang xúc tác cao nhất, cần tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỷ lệ thành phần và pH. Các điều kiện này ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành và phân bố của các hạt CoFe2O4 trên bề mặt bentonite, cũng như cấu trúc nano tổng thể của vật liệu. Việc sử dụng các kỹ thuật đặc trưng vật liệu như phân tích XRD, phân tích SEM, phân tích TEM và phân tích BET giúp xác định các thông số tối ưu và hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa điều kiện tổng hợp và tính chất quang xúc tác.

Việc sử dụng nguyên liệu và hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng của nano composite. Bentonite cần được xử lý và hoạt hóa để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Theo tài liệu, bentonite là một chất nền có độ bền cao, chịu được sự oxi hóa, giá thành thấp, thân thiện với môi trường. Đảm bảo kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng nguyên liệu đầu vào giúp tránh các tạp chất ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác.

Quá trình trộn và kết tủa cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ về pH và nhiệt độ để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các hạt CoFe2O4 trên bề mặt bentonite. Theo tài liệu, các spinel ferrite, với công thức chung là MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Zn.) là một trong những vật liệu quang xúc tác nhiều triển vọng do có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và dễ dàng được tách ra khỏi hệ nhờ từ tính. Tốc độ khuấy và thời gian trộn cũng cần được tối ưu hóa để tạo ra cấu trúc nano đồng nhất.

Quy trình nung đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc tinh thể của CoFe2O4 và liên kết nó với bentonite. Nhiệt độ và thời gian nung cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được tính chất quang xúc tác mong muốn. Theo tài liệu, một số phương pháp thường sử dụng để tổng hợp vật liệu CoFe2O4 như nhiệt dung môi [1], đồng kết tủa [ 3,5], sol-gel [6]…(Bảng 1. Đặc trưng của vật liệu CoFe2O4 khi tổng hợp bằng một số phương pháp Việc sử dụng các kỹ thuật phân tích nhiệt như TGA và DSC giúp xác định nhiệt độ nung tối ưu.

Thuốc nhuộm hữu cơ như RhB và MB là các chất ô nhiễm phổ biến và dễ dàng theo dõi sự phân hủy bằng phương pháp đo quang phổ UV-Vis. Theo tài liệu, các spinel ferrite, với công thức chung là MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Zn.) là một trong những vật liệu quang xúc tác nhiều triển vọng do có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và dễ dàng được tách ra khỏi hệ nhờ từ tính. Việc sử dụng các chất ô nhiễm khác nhau giúp đánh giá khả năng ứng dụng của nano composite trong việc xử lý các loại ô nhiễm khác nhau.

Đo quang phổ UV-Vis là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để theo dõi sự thay đổi nồng độ của chất ô nhiễm theo thời gian. Theo tài liệu, Vật liệu CoFe2O4 đã được dùng làm chất xúc tác trong phản ứng phân huỷ MB. Sau 120 phút chiếu sáng, 84% lượng MB đã bị phân huỷ. Sự giảm độ hấp thụ của chất ô nhiễm tại bước sóng đặc trưng cho thấy quá trình phân hủy đang diễn ra. Phương pháp này cho phép xác định tốc độ phản ứng và hiệu suất phân hủy.

Các yếu tố như cường độ ánh sáng, nồng độ chất xúc tác và pH có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang xúc tác. Theo tài liệu, Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu đã được nghiên cứu thông qua phản ứng phân huỷ 6 chất màu là Methylene blue (MB), Rhodamine B (RhB), Methyl orange (MO), Acridine orange (AO) , Rhodamine 6G (RBG) và Crystal Violet (CV) dưới ánh sáng nhìn thấy và tia UV. Tối ưu hóa các yếu tố này giúp nâng cao hiệu quả phân hủy và giảm chi phí xử lý. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường là cần thiết để ứng dụng nano composite trong thực tế.

Bentonite có khả năng hấp phụ cao đối với nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, bao gồm thuốc nhuộm, hóa chất và các hợp chất độc hại khác. Theo tài liệu, Với cấu trúc lớp, diện tích bề mặt riêng lớn, bentonit có khả năng hấp phụ chất hữu cơ ô nhiễm trên bề mặt, giúp cho quá trình quang xúc tác đạt hiệu quả cao hơn. Quá trình hấp phụ giúp tập trung chất ô nhiễm gần bề mặt CoFe2O4, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy diễn ra hiệu quả hơn.

CoFe2O4 có khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống, thúc đẩy quá trình oxi hóa và khử các chất ô nhiễm. Theo tài liệu, trong lĩnh vực môi trường, nhiều nghiên cứu đã cho thấy, các ferrite là chất xúc tác, hấp phụ có hiệu quả để xử lý nhiều ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ ô nhiễm. Quá trình này giúp chuyển đổi các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

Một ưu điểm quan trọng của nano composite CoFe2O4/Bentonite là khả năng tái sử dụng và thu hồi. Nhờ tính từ tính của CoFe2O4, vật liệu có thể dễ dàng được tách ra khỏi nước thải bằng từ trường. Theo tài liệu, các spinel ferrite, với công thức chung là MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Zn.) là một trong những vật liệu quang xúc tác nhiều triển vọng do có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và dễ dàng được tách ra khỏi hệ nhờ từ tính. Việc tái sử dụng giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững của quy trình xử lý nước thải.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện cấu trúc nano, tăng diện tích bề mặt và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng và ảnh hưởng của các chất phụ gia cũng có thể giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu. Theo tài liệu, Trong lĩnh vực môi trường, nhiều nghiên cứu đã cho thấy, các ferrite là chất xúc tác, hấp phụ có hiệu quả để xử lý nhiều ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ ô nhiễm.

Với những ưu điểm vượt trội, nano composite CoFe2O4/Bentonite có tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải. Việc phát triển các quy trình sản xuất quy mô lớn và giảm chi phí sản xuất là cần thiết để đưa vật liệu này vào thực tế. Theo tài liệu, quá trình quang xúc tác đạt hiệu quả cao hơn. Với mục đích tổng hợp vật liệu nano composite CoFe2O4/bentonit định hướng ứng dụng phân hủy hợp chất hữu cơ ô nhiễm, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano composite CoFe2O4/Bentonit”.