NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP C,Ce-ZnO/GRAPHEN ỨNG DỤNG PHÂN HỦY XANH METHYLEN DƯỚI ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

• Tác giả: Vũ Minh Châu
• Trường học: Học viện khoa học và công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp C,Ce-ZnO/Graphene: Phân Hủy Xanh Methylen Hiệu Quả Dưới Ánh Sáng Nhìn Thấy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Vật liệu ZnO
• 1.1. Giới thiệu về ZnO
• 1.2. Ứng dụng của ZnO
• 1.3. Các nghiên cứu về tổng hợp ZnO và ZnO pha tạp
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu hình thái và cấu trúc
• 2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TG)
• 2.2.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.3. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.4. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS)
• 2.2.5. Phương pháp phổ phát xạ (PL)
• 2.2.6. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.7. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.3. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh methylen của vật liệu CCZG
• 2.3.1. Lập đường chuẩn xanh methylen
• 2.3.2. Phương pháp đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả phân tích nhiệt
• 3.2. Kết quả XRD
• 3.3. Kết quả IR
• 3.4. Kết quả UV-VIS
• 3.5. Kết quả PL
• 3.6. Kết quả SEM, TEM
• 3.7. Kết quả đánh giá khả năng phân hủy xanh methylen của CCZG
• 3.8. Kết quả khảo sát khả năng phân hủy xanh methylen của CCZ và CCZG
• 3.9. Kết quả khảo sát hiệu suất phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng nhìn thấy với điều kiện pH thay đổi
• 3.10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh methylen đến hiệu suất và tốc độ phản ứng phân hủy quang xúc tác
• 3.11. Kết quả khảo sát hiệu suất phân hủy xanh methylen dưới nguồn chiếu xạ khác nhau
• 3.12. Khả năng tái sử dụng của vật liệu CCZG
• 3.13. Cơ chế phân hủy xanh methylen của vật liệu CCZG dưới ánh sáng nhìn thấy
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN
• Tài liệu tham khảo

I. Tổng Quan Nghiên Cứu C Ce ZnO Graphene Tiềm Năng Ứng Dụng

Nghiên cứu về vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene đang thu hút sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý nước thải và phân hủy chất ô nhiễm. Vật liệu này kết hợp những ưu điểm của ZnO/Graphene, C,Ce đồng pha tạp, hứa hẹn mang lại hiệu quả cao hơn so với các vật liệu đơn lẻ. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá khả năng phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng nhìn thấy của vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene. Quá trình photocatalysis dựa trên vật liệu bán dẫn như ZnO tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành các chất vô hại như CO2 và H2O. Việc cải tiến hiệu suất quang xúc tác của ZnO, đặc biệt dưới ánh sáng nhìn thấy, là một mục tiêu quan trọng. Dẫn chứng từ tài liệu gốc, nghiên cứu của Lưu Thị Việt Hà (2016) đã chỉ ra rằng việc pha tạp Ce hoặc đồng thời C và Ce vào ZnO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng khả kiến [1, 2].

1.1. Giới Thiệu Vật Liệu C Ce ZnO Graphene Cấu Trúc và Ưu Điểm

C,Ce-ZnO/Graphene là vật liệu nanocomposite kết hợp ZnO, Graphene và các nguyên tố C,Ce đồng pha tạp. Việc thêm Graphene giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường khả năng vận chuyển điện tử. Ce và C có vai trò điều chỉnh cấu trúc điện tử và quang học của ZnO, kéo dài thời gian sống của các cặp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu lai với các đặc tính vượt trội, hứa hẹn ứng dụng môi trường hiệu quả. Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng vật liệu composit có thể làm giảm nồng độ chất màu trong nước thải, đặc biệt là từ ngành dệt nhuộm. Các vật liệu nano như ZnO có tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích lớn, kích thước nhỏ, khả năng tương tác ánh sáng cao và hoạt tính xúc tác quang ưu việt.

1.2. Tổng Quan về Xúc Tác Quang và Phân Hủy Xanh Methylen

Xúc tác quang là quá trình sử dụng chất bán dẫn để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống, từ đó kích hoạt các phản ứng hóa học. Quá trình này đặc biệt hiệu quả trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Xanh methylen là một chất nhuộm công nghiệp phổ biến, thường được sử dụng trong ngành dệt nhuộm và có thể gây ô nhiễm nguồn nước. Việc phân hủy xanh methylen là một thách thức lớn do tính bền vững và độc hại của nó. Các phương pháp xúc tác quang sử dụng C,Ce-ZnO/Graphene đang được nghiên cứu rộng rãi như một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này. Phương pháp oxy hoá tiên tiến dùng bán dẫn như xúc tác quang, sản sinh ra những gốc OH• có tính oxi hoá cao, có thể phá huỷ phần lớn những hợp chất hữu cơ.

II. Thách Thức Hiệu Quả Phân Hủy Xanh Methylen Dưới Ánh Sáng Nhìn Thấy

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc sử dụng ZnO làm chất xúc tác quang là khả năng hấp thụ ánh sáng hạn chế trong vùng ánh sáng nhìn thấy. ZnO chỉ hấp thụ hiệu quả ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời. Điều này làm giảm đáng kể hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm khi sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. Do đó, việc cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của ZnO là rất quan trọng. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc pha tạp ZnO với các kim loại và phi kim, cũng như kết hợp nó với các vật liệu khác như Graphene, để mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu quả quang xúc tác. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc pha tạp phi kim và kim loại vào ZnO sẽ góp phần cản trở quá trình tái tổ hợp của lỗ-điện tử, tăng cường hiệu suất quang xúc tác và hạn chế phạm vi năng lượng vùng cấm của ZnO tại vùng ánh sáng nhìn thấy.

2.1. Hạn Chế Của ZnO Tinh Khiết và Giải Pháp Cải Thiện

ZnO tinh khiết có vùng cấm năng lượng rộng (khoảng 3.37 eV), chỉ hấp thụ ánh sáng UV. Để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, cần phải điều chỉnh cấu trúc điện tử và quang học của ZnO. Các phương pháp phổ biến bao gồm: pha tạp kim loại (như Ce), pha tạp phi kim (như C), tạo khuyết tật cấu trúc, và kết hợp với các vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, chẳng hạn như Graphene. Các hạt nano kẽm oxit (ZnO-NP) đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong ngành nông nghiệp và thực phẩm như một công cụ để loại bỏ hoặc giảm hoạt động của vi sinh vật.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tái Tổ Hợp Electron Lỗ Trống Đến Hiệu Suất

Quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống là một trong những yếu tố chính hạn chế hiệu suất quang xúc tác. Khi electron và lỗ trống tái tổ hợp, năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt, thay vì được sử dụng để kích hoạt các phản ứng hóa học. Việc giảm thiểu quá trình tái tổ hợp này là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm. Các phương pháp hiệu quả bao gồm việc tạo ra các vị trí bẫy electron hoặc lỗ trống, tăng cường khả năng vận chuyển điện tử và tối ưu hóa cấu trúc vật liệu. Graphene có khả năng vận chuyển điện tử cao, giúp giảm thiểu quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống và tăng cường hiệu suất xúc tác quang.

III. Phương Pháp Tổng Hợp C Ce ZnO Graphene Quy Trình Tối Ưu

Việc tổng hợp C,Ce-ZnO/Graphene đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của vật liệu. Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tạo ra các hạt nano ZnO có kích thước và hình dạng đồng đều. Quá trình pha tạp Ce và C có thể được thực hiện trong quá trình tổng hợp hoặc sau đó. Việc kết hợp Graphene cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo sự phân tán đồng đều và tương tác tốt giữa các thành phần. Các phương pháp nghiên cứu hình thái và cấu trúc như phân tích XRD, phân tích SEM, phân tích TEM, và phân tích UV-Vis được sử dụng để đánh giá chất lượng và đặc tính của vật liệu. Nghiên cứu của H. Shokry Hassan và cộng sự đã tổng hợp thành công ZnO không pha tạp và pha tạp bao gồm các hạt nano và thanh nano bằng phương pháp sol gel.

3.1. Quy Trình Thủy Nhiệt Điều Kiện Phản Ứng và Tối Ưu Hóa

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp các vật liệu nano trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Các yếu tố quan trọng cần kiểm soát bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, nồng độ các chất phản ứng, và pH của dung dịch. Việc tối ưu hóa các điều kiện này giúp tạo ra các hạt nano ZnO có kích thước và hình dạng mong muốn. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt được mô tả trong tài liệu gốc. Nghiên cứu cũng đề cập đến quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt, mô tả các bước thực hiện và các thông số cần kiểm soát.

3.2. Phương Pháp Pha Tạp Ce và C Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Vật Liệu

Việc pha tạp Ce và C có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện tử và quang học của ZnO. Ce có thể tạo ra các mức năng lượng trung gian trong vùng cấm, giúp hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. C có thể cải thiện khả năng dẫn điện và tăng cường khả năng vận chuyển điện tử. Việc kiểm soát nồng độ và phương pháp pha tạp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu. Nguyên tố cacbon được tạo thành từ hợp chất (CTAB + xyclohexan + butanol) và đi vào mạng ZnO xuyên suốt quá trình nung và thủy nhiệt.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Quang Xúc Tác Phân Hủy Xanh Methylen

Để đánh giá hiệu quả quang xúc tác của C,Ce-ZnO/Graphene, phản ứng phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng nhìn thấy được sử dụng. Quá trình này bao gồm việc chiếu xạ dung dịch chứa xanh methylen và chất xúc tác bằng đèn có quang phổ tương tự ánh sáng mặt trời. Sự giảm nồng độ xanh methylen theo thời gian được theo dõi bằng phân tích UV-Vis. Hiệu suất phân hủy được tính toán dựa trên sự thay đổi nồng độ của xanh methylen. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như pH, nồng độ xanh methylen, và cường độ ánh sáng cũng được nghiên cứu. Từ những lập luận trên, nghiên cứu và tổng hợp vật liệu composit có nhiều đặc tính ưu việt, đáp ứng mục đích xử lý độ màu cụ thể là chất xanh methylen trong dung dịch.

4.1. Lập Đường Chuẩn và Đánh Giá Khả Năng Quang Xúc Tác

Việc lập đường chuẩn xanh methylen là bước quan trọng để xác định mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ. Đường chuẩn này được sử dụng để theo dõi sự thay đổi nồng độ xanh methylen trong quá trình phân hủy. Khả năng quang xúc tác của vật liệu được đánh giá dựa trên tốc độ phân hủy và hiệu suất phân hủy. Đồ thị đường chuẩn xanh methylen được mô tả trong tài liệu gốc.

4.2. Ảnh Hưởng Của Điều Kiện Phản Ứng Đến Hiệu Suất Phân Hủy

Hiệu suất phân hủy xanh methylen phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: pH của dung dịch, nồng độ xanh methylen, cường độ ánh sáng, và nồng độ chất xúc tác. Việc tối ưu hóa các điều kiện này giúp đạt được hiệu suất phân hủy cao nhất. Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng pH có thể ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của chất xúc tác và sự hấp phụ của xanh methylen.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Khả Năng Tái Sử Dụng C Ce ZnO Graphene

C,Ce-ZnO/Graphene có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải chứa các chất nhuộm công nghiệp, đặc biệt là xanh methylen. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các hệ thống xúc tác quang để phân hủy các chất ô nhiễm dưới ánh sáng mặt trời. Khả năng tái sử dụng của vật liệu là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tính bền vững và kinh tế của quá trình. Các nghiên cứu về khả năng tái sử dụng và độ bền xúc tác cần được thực hiện để đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tế của C,Ce-ZnO/Graphene. Graphen là một vật liệu hai chiều thú vị, có diện tích bề mặt riêng lớn, tính linh động nội tại cao và độ dẫn điện tốt nên nó là vật liệu kết hợp lý tưởng để cải thiện hiệu suất truyền điện tử của vật liệu oxit kim loại, hạn chế sự kết tụ của các hạt nano oxit kim loại ở một mức độ nhất định và hỗ trợ phân tách điện tử hiệu quả trong quá trình xúc tác quang hóa.

5.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Ngành công nghiệp dệt nhuộm tạo ra một lượng lớn nước thải chứa các chất nhuộm độc hại, gây ô nhiễm môi trường. C,Ce-ZnO/Graphene có thể được sử dụng để xử lý nước thải này một cách hiệu quả, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các hệ thống xúc tác quang sử dụng C,Ce-ZnO/Graphene có thể được tích hợp vào các quy trình xử lý nước thải hiện có. Con số này gây ra sự lo lắng cho các doanh nghiệp trong ngành dệt nhuộm, cũng như cho các nhà quản lý môi trường và các nhà khoa học.

5.2. Đánh Giá Khả Năng Tái Sử Dụng và Độ Bền Xúc Tác

Để đảm bảo tính bền vững của quá trình xúc tác quang, cần phải đánh giá khả năng tái sử dụng của C,Ce-ZnO/Graphene. Các thí nghiệm tái sử dụng được thực hiện bằng cách lặp lại quá trình phân hủy xanh methylen nhiều lần, sử dụng cùng một mẫu vật liệu. Sự giảm hiệu suất phân hủy sau mỗi lần sử dụng được ghi lại để đánh giá độ bền xúc tác. Các nghiên cứu cần phải đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển C Ce ZnO Graphene

Nghiên cứu về C,Ce-ZnO/Graphene đã chứng minh tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng nhìn thấy. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải thiện độ bền xúc tác, và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Nghiên cứu cơ chế phản ứng sâu sắc hơn sẽ giúp hiểu rõ hơn về vai trò của từng thành phần trong vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene. Ứng dụng các kỹ thuật phân tích XPS và phân tích TEM để hiểu rõ hơn về cấu trúc và thành phần của vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene sau quá trình phản ứng.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Tiềm Năng

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng C,Ce-ZnO/Graphene có khả năng phân hủy xanh methylen hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy. Hiệu suất phân hủy có thể được cải thiện bằng cách tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và điều chỉnh cấu trúc vật liệu. Vật liệu này có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng và Phát Triển

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc: (1) Tổng hợp các vật liệu C,Ce-ZnO/Graphene với cấu trúc và thành phần tối ưu hơn; (2) Nghiên cứu cơ chế phản ứng phân hủy chất ô nhiễm một cách chi tiết; (3) Phát triển các hệ thống xúc tác quang sử dụng C,Ce-ZnO/Graphene cho các ứng dụng thực tế. Việc nghiên cứu cơ chế phản ứng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả xúc tác quang của vật liệu.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt ngày càng gia tăng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước từ ngành dệt nhuộm, chiếm khoảng 17-20% tổng ô nhiễm nước công nghiệp. Các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc nhuộm xanh methylen (MB) gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nguồn nước và sức khỏe con người. Do đó, việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để phân hủy các hợp chất này dưới ánh sáng nhìn thấy là một hướng nghiên cứu cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu composit C,Ce-ZnO/Graphen (CCZG) bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu khảo sát các đặc trưng hóa lý của vật liệu, bao gồm cấu trúc tinh thể, thành phần pha, khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang xúc tác trong điều kiện pH và nồng độ xanh methylen khác nhau. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm với điều kiện tổng hợp và đánh giá trong năm 2023.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu quang xúc tác mới có hiệu suất cao, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm. Việc ứng dụng vật liệu CCZG có thể giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ, nâng cao chất lượng nguồn nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất của ZnO: ZnO là oxit bán dẫn nhóm II-VI với cấu trúc chủ yếu dạng wurtzite, có dải năng lượng vùng cấm rộng (~3,2 eV), khả năng hấp thụ ánh sáng UV và hoạt tính quang xúc tác cao. Việc pha tạp kim loại (Ce) và phi kim (C) vào ZnO giúp thu hẹp vùng cấm, tăng diện tích bề mặt và giảm quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

• Cơ chế quang xúc tác phân hủy xanh methylen: Khi chiếu sáng, ZnO tạo ra cặp electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺), các gốc tự do như OH•, O₂⁻• được sinh ra và tấn công phân hủy các phân tử xanh methylen thành CO₂ và H₂O. Pha tạp Ce và C giúp tăng cường sự phân tách điện tích và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.

• Tính chất và vai trò của Graphen: Graphen là vật liệu hai chiều cấu trúc mạng lục giác carbon, có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, giúp tăng cường truyền điện tử và hạn chế sự kết tụ hạt nano ZnO, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác của vật liệu composit.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu CCZG được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp thủy nhiệt với tỉ lệ mol Ce³⁺/Zn²⁺ = 3% và Graphen/Zn²⁺ = 2%. Các hóa chất tinh khiết cao được sử dụng gồm Zn(CH₃COO)₂·6H₂O, Ce(NO₃)₃, Graphen, PVA, NaOH, etanol và nước cất.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như phân tích nhiệt vi sai (DTA-TG), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ UV-Vis, phổ phát xạ quang (PL), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để đánh giá cấu trúc, thành phần và đặc tính quang học của vật liệu.

• Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Đánh giá khả năng phân hủy xanh methylen trong dung dịch giả lập dưới ánh sáng nhìn thấy bằng hệ thiết bị quang xúc tác với đèn Osram 250 W. Nồng độ xanh methylen được xác định qua phổ UV-Vis tại bước sóng 664 nm. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH, nồng độ xanh methylen và hàm lượng Graphen đến hiệu suất phân hủy.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và phân tích đặc trưng trong 3 tháng đầu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong 2 tháng tiếp theo, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn trong tháng cuối cùng của năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng nhiệt của vật liệu CCZG: Giản đồ DTA-TG cho thấy vật liệu ổn định nhiệt từ 150℃ đến 450℃, với sự giảm khối lượng nhẹ 2,269% do bay hơi ethanol và nước hấp thụ ở 50-100℃. Ở 650-750℃, giảm khối lượng 0,94% liên quan đến phản ứng oxi hóa cacbon graphen trên bề mặt ZnO. Điều này chứng minh vật liệu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có độ bền nhiệt cao, không cần xử lý nhiệt bổ sung.

2. Cấu trúc tinh thể và pha của CCZG: Phổ XRD xác nhận vật liệu gồm hai pha chính: Graphen với pic tại 2θ = 26,8° và C/Ce-ZnO có cấu trúc wurtzite lục giác. Các pic nhiễu xạ của ZnO pha tạp dịch chuyển nhẹ về góc 2θ lớn hơn, cho thấy sự pha tạp thành công Ce và C vào mạng tinh thể ZnO mà không làm thay đổi cấu trúc cơ bản. Kích thước tinh thể trung bình khoảng 20-40 nm.

3. Khả năng hấp thụ ánh sáng và vùng cấm năng lượng: Phổ UV-Vis cho thấy vật liệu CCZG mở rộng vùng hấp thụ sang ánh sáng nhìn thấy, với năng lượng vùng cấm giảm từ ~3,2 eV (ZnO nguyên chất) xuống khoảng 2,7-3,0 eV nhờ pha tạp Ce và C. Phổ PL giảm cường độ phát xạ, chứng tỏ giảm quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác.

4. Hiệu suất phân hủy xanh methylen: Vật liệu CCZG đạt hiệu suất phân hủy xanh methylen lên đến 90% trong 90 phút dưới ánh sáng nhìn thấy với nồng độ MB 7 ppm và pH trung tính. So với ZnO nguyên chất, hiệu suất tăng gấp khoảng 3,6 lần. Hiệu suất phân hủy giảm khi pH quá cao hoặc quá thấp, và giảm khi nồng độ MB tăng quá mức do che khuất ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác cao của CCZG được giải thích bởi sự kết hợp giữa pha tạp kim loại Ce và phi kim C giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp điện tử-lỗ trống. Graphen đóng vai trò dẫn điện tốt, hỗ trợ phân tách điện tử hiệu quả và ngăn ngừa kết tụ hạt nano ZnO, từ đó tăng cường hoạt tính quang xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất phân hủy xanh methylen của CCZG vượt trội hơn nhiều so với ZnO nguyên chất và các vật liệu pha tạp đơn lẻ. Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ MB theo thời gian dưới ánh sáng nhìn thấy minh họa rõ ràng hiệu quả phân hủy nhanh và bền vững của vật liệu.

Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường, ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ngành dệt nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ và bảo vệ nguồn nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ 150℃ trong 24 giờ để đảm bảo vật liệu CCZG có cấu trúc ổn định và hiệu suất quang xúc tác cao. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu, timeline 3-6 tháng.

2. Điều chỉnh pH và nồng độ chất ô nhiễm trong xử lý nước thải: Khuyến nghị duy trì pH trung tính (khoảng 6-7) và nồng độ xanh methylen dưới 10 ppm để đạt hiệu suất phân hủy tối ưu. Chủ thể thực hiện: các nhà máy xử lý nước thải, timeline áp dụng ngay trong quy trình vận hành.

3. Ứng dụng vật liệu CCZG trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Thiết kế các module quang xúc tác sử dụng CCZG dưới ánh sáng mặt trời hoặc đèn chiếu sáng nhân tạo để xử lý nước thải dệt nhuộm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ môi trường, timeline 6-12 tháng thử nghiệm và triển khai.

4. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng và bền vững của vật liệu: Thực hiện các thử nghiệm tái sử dụng vật liệu CCZG ít nhất 7 lần để đánh giá độ bền và hiệu suất duy trì, từ đó phát triển quy trình tái sinh vật liệu. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu, timeline 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác, xử lý ô nhiễm nước thải hữu cơ, phát triển vật liệu nano.

2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu CCZG trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt ngành dệt nhuộm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo các giải pháp công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm, xây dựng tiêu chuẩn môi trường.

4. Các nhà sản xuất vật liệu và thiết bị quang xúc tác: Phát triển sản phẩm vật liệu composit mới, cải tiến công nghệ tổng hợp và ứng dụng trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu CCZG được tổng hợp bằng phương pháp nào?
   Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt một bước, sử dụng tiền chất Zn(CH₃COO)₂, Ce(NO₃)₃, Graphen và PVA trong môi trường bazơ, nhiệt độ 150℃ trong 24 giờ. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả và tạo ra vật liệu có cấu trúc ổn định.

2. Hiệu suất phân hủy xanh methylen của CCZG so với ZnO nguyên chất như thế nào?
   CCZG có hiệu suất phân hủy xanh methylen cao gấp khoảng 3,6 lần so với ZnO nguyên chất dưới ánh sáng nhìn thấy, đạt khoảng 90% phân hủy trong 90 phút với nồng độ MB 7 ppm.

3. Tại sao pha tạp Ce và C lại cải thiện hiệu suất quang xúc tác?
   Pha tạp Ce tạo ra các bẫy electron giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, còn C thu hẹp vùng cấm năng lượng và tạo ra các khuyết tật mạng giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

4. Graphen đóng vai trò gì trong vật liệu composit CCZG?
   Graphen có diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, giúp tăng cường truyền điện tử, hạn chế kết tụ hạt nano ZnO, hỗ trợ phân tách điện tử hiệu quả, góp phần nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

5. Vật liệu CCZG có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu CCZG có khả năng tái sử dụng ít nhất 7 lần mà không giảm đáng kể hiệu suất phân hủy xanh methylen, cho thấy tính bền vững và kinh tế trong ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Vật liệu composit C,Ce-ZnO/Graphen (CCZG) được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt, có cấu trúc tinh thể wurtzite ổn định và pha Graphen phân tán đều.
• Pha tạp Ce và C giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh methylen dưới ánh sáng nhìn thấy.
• Hiệu suất phân hủy xanh methylen của CCZG đạt khoảng 90% trong 90 phút, cao gấp 3,6 lần so với ZnO nguyên chất, với điều kiện pH trung tính và nồng độ MB 7 ppm.
• Vật liệu có khả năng tái sử dụng ít nhất 7 lần mà không giảm hiệu suất đáng kể, phù hợp ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp.
• Đề xuất áp dụng vật liệu CCZG trong các hệ thống xử lý nước thải ngành dệt nhuộm, đồng thời nghiên cứu tối ưu quy trình tổng hợp và tái sinh vật liệu trong các nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn vật liệu CCZG trong xử lý nước thải thực tế, đồng thời phát triển các module quang xúc tác ứng dụng ánh sáng mặt trời để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.