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

• Tác giả: Lê Thị Thanh Liễu
• Người hướng dẫn: Lê Trường Giang
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tính Chất Xúc Tác Quang Của Vật Liệu Composite TiO2 Trên Nền Graphene Và Carbon Nitride
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về tính chất xúc tác quang của vật liệu TiO2 và vật liệu TiO2 biến tính
• 1.2. Vật liệu TiO2/graphene
• 1.3. Phương pháp tổng hợp composite TiO2/graphen
• 1.4. Cơ chế xúc tác quang của vật liệu TiO2/graphen
• 1.5. Vật liệu TiO2/g-C3N4. Giới thiệu về graphite carbon nitride g-C3N4
• 1.6. Vật liệu TiO2/g-C3N4
• 1.7. Vật liệu TiO2/g-C3N4-graphen. Composite nền g-C3N4-graphen
• 1.8. Vật liệu TiO2/g-C3N4-graphen
• 1.9. Tổng quan về sự ô nhiễm nước bởi một số hợp chất hữu cơ và tình hình nghiên cứu về vật liệu composite TiO2 trên nền graphen và g-C3N4 ứng dụng làm chất xúc tác quang ở Việt Nam. Giới thiệu chung về sự ô nhiễm nước bởi các chất hữu cơ
• 1.10. Tổng quan về RhB, phenol và kháng sinh rifampicin
• 1.11. Tình hình nghiên cứu về vật liệu composite TiO2 trên nền graphen và g-C3N4 ứng dụng làm chất xúc tác quang ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 2.1. Tổng hợp vật liệu
• 2.1.1. Tổng hợp TiO2/graphen
• 2.1.2. Tổng hợp TiO2/g-C3N4
• 2.1.3. Tổng hợp vật liệu TiO2/g-C3N4-graphen
• 2.2. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction, XRD)
• 2.2.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)
• 2.2.4. Phương pháp tán xạ tia X
• 2.2.5. Phương pháp phổ Raman
• 2.2.6. Phương pháp trắc quang xác định hàm lượng RhB, phenol và kháng sinh Rifampicin trong mẫu nghiên cứu
• 2.2.7. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS)
• 2.2.8. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET)
• 2.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 2.3.1. Thời gian cân bằng hấp phụ
• 2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác
• 2.3.3. Đánh giá động học của quá trình xúc tác
• 2.3.4. Xác định điểm đẳng điện tích không của vật liệu
• 2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến vật liệu
• 2.3.6. Xác định cơ chế của phản ứng quang phân huỷ RhB bằng các chất bắt (scavengers)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu TiO2/graphen
• 3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4
• 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt
• 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.1.4. Cơ chế của phản ứng xúc tác quang của vật liệu TiO2/graphen
• 3.2. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu TiO2/g-C3N4
• 3.2.1. Đặc trưng vật liệu TiO2/g-C3N4
• 3.2.2. Khảo sát khả năng phân huỷ RhB của vật liệu
• 3.2.3. Cơ chế phản ứng phân huỷ RhB
• 3.3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite TiO2/g-C3N4-graphen
• 3.3.1. Đặc trưng vật liệu
• 3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng graphen đến hoạt tính xúc tác của vật liệu composite TiO2/g-C3N4-graphen
• 3.3.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composite TiO2/g-C3N4-graphen dưới ánh sáng mặt trời
• 3.3.4. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 3.3.5. Cơ chế quá trình quang xúc tác
• 3.3.6. Đánh giá độ bền của vật liệu
• 3.3.7. So sánh hoạt tính xúc tác của các vật liệu composite qua quá trình phân huỷ RhB, phenol và kháng sinh Rifampicin
• KẾT LUẬN
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• B. DANH MỤC CÁC BẢNG
• C. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

I. Giới thiệu về tính chất xúc tác quang của vật liệu TiO2 và vật liệu TiO2 biến tính

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.

II. Vật liệu TiO2 graphene

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.

III. Vật liệu TiO2 g C3N4

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.

IV. Vật liệu TiO2 g C3N4 graphene

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.

V. Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite

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.