I. Tổng quan về nghiên cứu
Nghiên cứu titan dioxit pha tạp lưu huỳnh trên graphene aerogel nhằm mục đích quang phân hủy chất hữu cơ trong nước, đặc biệt là tinh thể tím (crystal violet - CV), đã thu hút sự quan tâm lớn trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước. Ô nhiễm hữu cơ từ các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm, đã dẫn đến việc phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả. Titan dioxit (titan dioxit) được biết đến với khả năng quang phân hủy mạnh mẽ, nhưng hiệu suất của nó còn hạn chế do thời gian tái tổ hợp điện tử nhanh. Để khắc phục vấn đề này, việc kết hợp titan dioxit với graphene aerogel (graphene aerogel) đã được đề xuất nhằm cải thiện hiệu suất quang phân hủy. Việc pha tạp lưu huỳnh vào cấu trúc của titan dioxit nhằm mở rộng vùng hấp thu ánh sáng và tăng cường khả năng quang phân hủy CV trong nước.
1.1. Tình hình ô nhiễm nước
Ô nhiễm nước do các chất hữu cơ, đặc biệt là thuốc nhuộm, đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Theo thống kê, khoảng 20% thuốc nhuộm được thải ra trong quá trình sản xuất, gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và môi trường. Các chất như CV có tính ổn định hóa học cao, khó phân hủy sinh học, dẫn đến sự tích tụ trong môi trường nước. Việc xử lý các chất này trở nên cấp thiết, và phương pháp quang phân hủy đang được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng.
1.2. Phương pháp quang phân hủy
Quang phân hủy là phương pháp xử lý hiện đại với nhiều ưu điểm như quy trình đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Titan dioxit (titan dioxit) là một trong những vật liệu quang phân hủy phổ biến nhất, tuy nhiên, hiệu suất của nó cần được cải thiện. Việc kết hợp với graphene aerogel (graphene aerogel) và pha tạp lưu huỳnh không chỉ tăng cường hiệu suất mà còn mở rộng khả năng hấp thu ánh sáng, từ đó nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước.
II. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn tiến hành nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit pha tạp lưu huỳnh trên cơ sở graphene aerogel (S–TiO2/GA - STG) bằng phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ của quá trình thủy nhiệt. Các tiền chất titan (IV) isopropoxit, graphene oxide và thiourea được sử dụng trong quá trình tổng hợp. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang phân hủy CV được khảo sát qua mô hình Plackett-Burman và Box-Behnken. Phương pháp này cho phép đánh giá một cách hệ thống các yếu tố như pH, thời gian hấp phụ, thời gian chiếu sáng và nồng độ CV ban đầu. Các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, FTIR, SEM, và UV-Vis được sử dụng để xác định đặc trưng của vật liệu và hiệu suất quang phân hủy.
2.1. Tổng hợp vật liệu STG
Quá trình tổng hợp vật liệu STG được thực hiện thông qua các bước chính: hòa tan các tiền chất, đồng kết tủa và thủy nhiệt. Thể tích thiourea được khảo sát để xác định ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu. Kết quả cho thấy, thể tích thiourea tối ưu giúp tăng cường khả năng quang phân hủy của vật liệu, đồng thời cải thiện tính ổn định và khả năng tái sử dụng.
2.2. Đánh giá hiệu suất quang phân hủy
Hiệu suất quang phân hủy CV của vật liệu STG được xác định thông qua các thí nghiệm thực nghiệm. Các yếu tố như pH, thời gian chiếu sáng và nồng độ CV ban đầu được khảo sát kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy, hiệu suất quang phân hủy đạt tối ưu tại điều kiện pH nhất định và thời gian chiếu sáng phù hợp. Điều này chứng tỏ rằng việc điều chỉnh các yếu tố này có thể nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu STG có khả năng quang phân hủy CV hiệu quả, với hiệu suất cao nhất đạt được dưới điều kiện tối ưu. Phân tích XRD và SEM cho thấy cấu trúc của vật liệu không bị thay đổi đáng kể sau quá trình quang phân hủy, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt của vật liệu. Thêm vào đó, việc khảo sát ảnh hưởng của các gốc tự do trong cơ chế quang phân hủy cho thấy rằng gốc hydroxyl (gốc tự do) và gốc oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa vật liệu quang phân hủy cho các ứng dụng thực tiễn.
3.1. Hiệu suất quang phân hủy của STG
Hiệu suất quang phân hủy của vật liệu STG được đánh giá qua các chu kỳ thí nghiệm. Kết quả cho thấy vật liệu có thể duy trì hiệu suất cao sau nhiều chu kỳ sử dụng, điều này chứng tỏ tính khả thi trong việc áp dụng STG cho xử lý ô nhiễm nước trong thực tế. Các số liệu cho thấy rằng, vật liệu này không chỉ hiệu quả mà còn bền vững trong quá trình tái sử dụng.
3.2. Cơ chế quang phân hủy
Cơ chế quang phân hủy của CV được đề xuất dựa trên các kết quả thu được từ việc khảo sát gốc tự do. Các thí nghiệm cho thấy rằng gốc hydroxyl và gốc oxy hóa đóng vai trò chủ yếu trong việc phân hủy CV. Việc sử dụng các chất bắt giữ gốc tự do như isopropanol và benzoquinone giúp xác định rõ hơn cơ chế hoạt động của vật liệu STG trong quá trình quang phân hủy.
