Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước đang là thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái, đặc biệt do các chất ô nhiễm hữu cơ phát sinh từ hoạt động sản xuất công nghiệp. Theo ước tính, việc xử lý các chất ô nhiễm này đòi hỏi các giải pháp thân thiện môi trường, hiệu quả và bền vững. Trong bối cảnh đó, xúc tác quang dị thể hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến được xem là công nghệ tiềm năng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại. Graphit cacbon nitrua (g-C3N4) nổi lên như một vật liệu xúc tác quang mới với khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến vượt trội so với TiO2 truyền thống. Tuy nhiên, hiệu suất xúc tác quang của g-C3N4 còn hạn chế do tốc độ tái tổ hợp electron - lỗ trống cao và diện tích bề mặt nhỏ.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy nhằm cải thiện hiệu quả xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến, tăng khả năng tách và chuyển điện tích quang sinh, đồng thời mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng. Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu bằng phương pháp nung pha rắn từ tiền chất urea và hydrogen peroxide, đặc trưng vật liệu bằng các kỹ thuật hóa lý hiện đại và đánh giá hoạt tính xúc tác quang qua phân hủy Rhodamine B (RhB) trong nước. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong tổng hợp và khảo sát vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy tại điều kiện phòng thí nghiệm, với thời gian thực hiện trong năm 2019 tại trường Đại học Quy Nhơn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý ô nhiễm nước và ứng dụng trong công nghiệp xử lý môi trường, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế xúc tác quang của vật liệu g-C3N4 biến tính.

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:

  • Lý thuyết vùng điện tử: Mô tả cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn gồm vùng hóa trị (VB), vùng dẫn (CB) và vùng cấm (Eg). Giá trị Eg xác định khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả tạo cặp electron - lỗ trống quang sinh. g-C3N4 có vùng cấm gián tiếp khoảng 2,7 eV, phù hợp với ánh sáng khả kiến.

  • Cơ chế xúc tác quang dị thể: Quá trình xúc tác quang gồm hấp thụ photon, tạo cặp electron - lỗ trống, di chuyển đến bề mặt, tái tổ hợp và phản ứng oxy hóa - khử với các chất hấp phụ. Hiệu suất xúc tác phụ thuộc vào khả năng tách và chuyển điện tích, cũng như sự hình thành các gốc oxy hóa mạnh như •OH, O2•–, H2O2.

  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood: Mô hình này mô tả động học phản ứng xúc tác quang dựa trên sự hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác và quá trình quang hóa. Phản ứng thường tuân theo động học bậc một trong điều kiện nồng độ thấp.

  • Khái niệm pha tạp nguyên tố: Pha tạp phi kim như oxy vào mạng tinh thể g-C3N4 giúp điều chỉnh vùng cấm, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu, cùng với đánh giá hoạt tính xúc tác quang phân hủy RhB.

  • Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp g-C3N4 và g-C3N4 pha tạp oxy bằng phương pháp nung pha rắn sử dụng tiền chất urea và hydrogen peroxide. Quá trình nung được kiểm soát nhiệt độ và thời gian để tạo vật liệu có cấu trúc mong muốn.

  • Phương pháp đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hóa lý hiện đại gồm:

    • Phổ hồng ngoại (IR) để xác định nhóm chức liên kết.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha.
    • Phổ quang điện tử tia X (XPS) để phân tích trạng thái hóa trị và thành phần nguyên tố.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái, kích thước và độ phân tán.
    • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ ánh sáng.
    • Phổ huỳnh quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp electron - lỗ trống.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang: Đo nồng độ RhB theo thời gian chiếu sáng bằng phương pháp UV-Vis, xác định hiệu suất phân hủy và hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên nhiều mẫu vật liệu với các tỷ lệ pha tạp oxy khác nhau (x = 20, 40, 60, 80, 100, 120), tiến hành trong năm 2019 tại phòng thí nghiệm trường Đại học Quy Nhơn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu:

    • Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy cấu trúc tinh thể g-C3N4 pha tạp oxy vẫn giữ kiểu xếp chồng ABAB đặc trưng, nhưng có sự thay đổi nhẹ về vị trí đỉnh (002), chứng tỏ pha tạp oxy ảnh hưởng đến cấu trúc mạng tinh thể.
    • Phổ XPS xác định thành phần nguyên tố, với tỷ lệ oxy trong mẫu pha tạp đạt khoảng 5-10% tùy tỷ lệ pha tạp, xác nhận sự pha tạp thành công.
    • Phổ UV-Vis DRS cho thấy vùng hấp thụ ánh sáng của g-C3N4 pha tạp oxy mở rộng sang vùng bước sóng dài hơn, với năng lượng vùng cấm giảm từ khoảng 2,7 eV xuống còn khoảng 2,4 eV ở mẫu 40-OCN, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

  2. Hoạt tính xúc tác quang:

    • Hiệu suất phân hủy RhB của g-C3N4 pha tạp oxy cao hơn đáng kể so với g-C3N4 nguyên bản, với mẫu 40-OCN đạt hiệu suất phân hủy khoảng 95% sau 120 phút chiếu sáng, trong khi g-C3N4 chỉ đạt khoảng 70%.
    • Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến (k) của mẫu 40-OCN gấp khoảng 1,5 lần so với g-C3N4, cho thấy tốc độ phân hủy RhB được cải thiện rõ rệt.
    • Phổ huỳnh quang (PL) giảm cường độ phát quang ở mẫu pha tạp oxy, chứng tỏ sự giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian sống của các chất mang điện tử.

  3. Cơ chế xúc tác quang:

    • Thí nghiệm sử dụng các chất dập tắt cho thấy gốc superoxit (O2•–) và gốc hiđroxyl (•OH) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy RhB.
    • Mô hình cơ chế xúc tác quang cho thấy pha tạp oxy tạo ra mức năng lượng mới trong vùng cấm, giúp tăng hiệu quả tách và chuyển electron, đồng thời tăng diện tích bề mặt xúc tác.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hiệu suất xúc tác quang của g-C3N4 pha tạp oxy được giải thích bởi việc pha tạp oxy làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng, giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp phi kim trên g-C3N4. Việc giảm cường độ phổ huỳnh quang chứng tỏ sự hạn chế tái tổ hợp electron - lỗ trống, giúp tăng hiệu quả chuyển điện tích đến bề mặt xúc tác.

So với các vật liệu g-C3N4 pha tạp kim loại, pha tạp oxy có ưu điểm bền nhiệt cao hơn và tránh được các tâm tái tổ hợp không mong muốn do ion kim loại. Kết quả động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood cho thấy phản ứng phân hủy RhB tuân theo động học bậc một, với hằng số tốc độ tăng rõ rệt khi pha tạp oxy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ UV-Vis DRS thể hiện sự dịch chuyển bờ hấp thụ, đồ thị PL so sánh cường độ phát quang giữa các mẫu, và đồ thị ln(C0/C) theo thời gian chiếu sáng để xác định hằng số tốc độ phản ứng. Bảng tổng hợp tỷ lệ nguyên tố và hiệu suất phân hủy RhB cũng minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp oxy: Tiến hành nghiên cứu sâu hơn để xác định tỷ lệ pha tạp oxy tối ưu nhằm cân bằng giữa hiệu suất xúc tác và tính ổn định vật liệu, ưu tiên mẫu có tỷ lệ pha tạp khoảng 40% với hiệu suất cao nhất.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Áp dụng phương pháp nung pha rắn đơn giản, chi phí thấp để sản xuất vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy với quy mô công nghiệp, đảm bảo tính đồng nhất và tái sản xuất.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng vật liệu này trong các hệ thống xử lý nước thải chứa các chất nhuộm hữu cơ như RhB, với thời gian xử lý dự kiến khoảng 2-3 giờ để đạt hiệu quả phân hủy trên 90%.

  4. Nghiên cứu kết hợp với các kỹ thuật biến tính khác: Kết hợp pha tạp oxy với kỹ thuật xây dựng cấu trúc nano hoặc compozit với các vật liệu bán dẫn khác để tăng cường hiệu quả xúc tác quang, giảm thiểu tái tổ hợp electron - lỗ trống.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp về quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy, thúc đẩy chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang, tổng hợp và biến tính vật liệu bán dẫn, đặc biệt trong lĩnh vực g-C3N4 và các kỹ thuật pha tạp.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu xúc tác quang mới trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là các chất nhuộm hữu cơ khó phân hủy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xử lý môi trường: Nghiên cứu phát triển sản phẩm xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo các giải pháp công nghệ xanh, hiệu quả để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Pha tạp oxy vào g-C3N4 có tác dụng gì?
    Pha tạp oxy giúp điều chỉnh vùng cấm năng lượng, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang. Ví dụ, mẫu 40-OCN có năng lượng vùng cấm giảm từ 2,7 eV xuống 2,4 eV.

  2. Phương pháp tổng hợp g-C3N4 pha tạp oxy được thực hiện như thế nào?
    Phương pháp nung pha rắn sử dụng tiền chất urea và hydrogen peroxide, nung ở nhiệt độ thích hợp để tạo vật liệu có cấu trúc tinh thể ổn định và pha tạp oxy đồng nhất.

  3. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu?
    Hoạt tính được đánh giá qua phân hủy Rhodamine B trong nước dưới chiếu sáng vùng khả kiến, đo nồng độ RhB theo thời gian bằng phổ UV-Vis, tính hiệu suất phân hủy và hằng số tốc độ phản ứng.

  4. Cơ chế phân hủy RhB trong hệ xúc tác g-C3N4 pha tạp oxy là gì?
    Quá trình phân hủy chủ yếu do các gốc oxy hóa mạnh như gốc superoxit (O2•–) và gốc hiđroxyl (•OH) được tạo ra từ phản ứng oxy hóa - khử trên bề mặt xúc tác, giúp phân hủy RhB thành các sản phẩm vô cơ đơn giản.

  5. Ưu điểm của g-C3N4 pha tạp oxy so với pha tạp kim loại là gì?
    Pha tạp oxy tạo liên kết cộng hóa trị bền vững, tăng bền nhiệt và tránh các tâm tái tổ hợp electron không mong muốn do ion kim loại, giúp vật liệu ổn định hơn trong quá trình xúc tác.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy bằng phương pháp nung pha rắn với hiệu suất xúc tác quang phân hủy RhB đạt tới 95%.
  • Pha tạp oxy làm giảm năng lượng vùng cấm từ 2,7 eV xuống khoảng 2,4 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Giảm cường độ phổ huỳnh quang chứng tỏ hạn chế tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu quả chuyển điện tích.
  • Phản ứng phân hủy RhB tuân theo động học bậc một theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với hằng số tốc độ tăng 1,5 lần so với g-C3N4 nguyên bản.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu tỷ lệ pha tạp, phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng vật liệu g-C3N4 pha tạp oxy trong công nghệ xử lý môi trường, đồng thời mở rộng nghiên cứu kết hợp với các kỹ thuật biến tính khác để nâng cao hiệu quả xúc tác quang.