Luận án tiến sĩ: Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite TiO2 trên nền graphene và carbon nitride

Tính chất xúc tác quang của vật liệu TiO2 đã được nghiên cứu từ những năm 1972 khi Fujishima và Honda phát hiện ra khả năng tách nước tạo khí H2 dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại. TiO2 trở thành một trong những vật liệu xúc tác quang phổ biến nhất nhờ vào những ưu điểm như hoạt tính xúc tác tốt, độ bền hóa học cao, không độc hại và giá thành thấp. Tuy nhiên, TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn (~3,2 eV), dẫn đến việc chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong các quá trình xúc tác quang sử dụng ánh sáng mặt trời, nơi mà ánh sáng nhìn thấy chiếm tỷ lệ lớn hơn. Để khắc phục những nhược điểm này, TiO2 thường được biến tính bằng cách doping các ion kim loại hoặc phi kim, nhằm tạo ra các mức năng lượng trong vùng cấm, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Sự pha tạp này không chỉ giúp tăng cường khả năng hấp thụ mà còn làm giảm sự tái hợp của các cặp electron - lỗ trống, qua đó nâng cao hiệu suất xúc tác.

Vật liệu TiO2/graphene đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu quang xúc tác nhờ vào những tính chất vượt trội của graphene. Graphene không chỉ có độ bền cao mà còn có diện tích bề mặt lớn, cho phép phân tán các hạt xúc tác một cách hiệu quả. Việc kết hợp TiO2 với graphene giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, đồng thời giảm thiểu hiện tượng tái hợp của electron và lỗ trống. Graphene đóng vai trò như một chất nhận electron, từ đó cải thiện hiệu suất xúc tác của vật liệu composite. Nhiều nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng TiO2/graphene có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước, nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn và sự phân tán hiệu quả của các hạt xúc tác.

Vật liệu TiO2/g-C3N4 đang nhận được sự quan tâm lớn trong lĩnh vực xúc tác quang nhờ vào cấu trúc của carbon nitride. g-C3N4 có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến và bền hóa học, điều này giúp mở rộng khả năng ứng dụng của TiO2 trong các phản ứng quang xúc tác. Kết hợp TiO2 với g-C3N4 không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn giúp tăng cường độ bền và hiệu suất của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy, TiO2/g-C3N4 có thể phân hủy hiệu quả các hợp chất hữu cơ như RhB và phenol dưới ánh sáng mặt trời, nhờ vào sự tách hiệu quả các cặp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác.

Việc kết hợp TiO2, g-C3N4 và graphene tạo ra một vật liệu composite mới, được gọi là TiO2/g-C3N4-graphene. Sự kết hợp này không chỉ khắc phục những nhược điểm của từng thành phần mà còn tạo ra một hệ thống xúc tác quang hiệu quả hơn. Graphene giúp tăng cường khả năng phân tán và hấp thụ ánh sáng, trong khi g-C3N4 cung cấp khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu cho thấy, TiO2/g-C3N4-graphene có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại một cách hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong xử lý nước và bảo vệ môi trường.

Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite TiO2/graphene, TiO2/g-C3N4 và TiO2/g-C3N4-graphene đã được khảo sát kỹ lưỡng. Các nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xúc tác quang của các vật liệu này cao hơn nhiều so với TiO2 truyền thống. Sự cải thiện này chủ yếu do khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, sự phân tán hiệu quả của các hạt xúc tác và giảm thiểu hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống. Các kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng các vật liệu composite này có thể được ứng dụng hiệu quả trong việc xử lý nước ô nhiễm, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.