I. Giới thiệu về G C3N4 và chất xúc tác quang
G-C3N4 là một vật liệu bán dẫn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực chất xúc tác quang nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu quả trong các phản ứng quang hóa. Vật liệu này có cấu trúc tinh thể dựa trên các đơn vị s-triazine hoặc tri-s-triazine, tạo nên mạng lưới liên kết chặt chẽ giữa các nguyên tử cacbon và nitơ. G-C3N4 được tổng hợp từ các tiền chất như urea, melamine, hoặc cyanamide thông qua quá trình nung ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, hiệu suất chất xúc tác quang của G-C3N4 bị hạn chế do tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh cao, cũng như diện tích bề mặt nhỏ. Để cải thiện hiệu quả, các phương pháp biến tính như pha tạp oxy đã được áp dụng, giúp điều chỉnh cấu trúc vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng.
1.1. Cấu trúc và tính chất của G C3N4
G-C3N4 có cấu trúc tinh thể dựa trên các đơn vị s-triazine hoặc tri-s-triazine, tạo thành mạng lưới hai chiều với các lớp xếp chồng lên nhau. Cấu trúc này tạo ra vùng cấm năng lượng khoảng 2.7 eV, phù hợp cho các phản ứng quang hiệu quả trong vùng ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, G-C3N4 có diện tích bề mặt nhỏ và tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống cao, làm giảm hiệu suất chất xúc tác quang. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc pha tạp oxy vào mạng lưới G-C3N4 có thể cải thiện đáng kể các tính chất này.
1.2. Ứng dụng của G C3N4 trong quang xúc tác
G-C3N4 được ứng dụng rộng rãi trong các phản ứng quang xúc tác như phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ, quang tách nước tạo hydro, và khử CO2. Nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, G-C3N4 trở thành một lựa chọn thay thế hiệu quả cho các chất xúc tác truyền thống như TiO2. Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất, các phương pháp biến tính như pha tạp oxy đã được nghiên cứu, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánsáng và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống.
II. Pha tạp oxy vào G C3N4
Pha tạp oxy vào G-C3N4 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất quang học và tác dụng quang học của vật liệu. Oxy có độ âm điện cao và bán kính nguyên tử tương đồng với cacbon và nitơ, giúp dễ dàng tích hợp vào mạng lưới G-C3N4. Quá trình pha tạp oxy được thực hiện bằng cách sử dụng các tiền chất như hydrogen peroxide (H2O2) trong quá trình tổng hợp. Kết quả cho thấy, pha tạp oxy làm thay đổi cấu trúc vùng cấm, tăng diện tích bề mặt, và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng. Điều này giúp tăng cường hiệu quả chất xúc tác quang của G-C3N4 trong các phản ứng quang hóa.
2.1. Phương pháp tổng hợp G C3N4 pha tạp oxy
Quá trình tổng hợp G-C3N4 pha tạp oxy được thực hiện bằng phương pháp nung ở pha rắn, sử dụng urea và hydrogen peroxide làm tiền chất. Urea được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành G-C3N4, sau đó hydrogen peroxide được thêm vào để thực hiện quá trình pha tạp oxy. Kết quả phân tích bằng các phương pháp như XRD, XPS, và SEM cho thấy sự hiện diện của oxy trong mạng lưới G-C3N4, đồng thời cải thiện cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu.
2.2. Ảnh hưởng của pha tạp oxy đến tính chất quang học
Pha tạp oxy vào G-C3N4 làm thay đổi cấu trúc vùng cấm, giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống. Các nghiên cứu cho thấy, G-C3N4 pha tạp oxy có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn trong vùng ánh sáng khả kiến, đồng thời tăng cường hiệu quả chất xúc tác quang trong các phản ứng phân hủy chất ô nhiễm như rhodamine B (RhB).
III. Ứng dụng của G C3N4 pha tạp oxy trong quang xúc tác
G-C3N4 pha tạp oxy được ứng dụng rộng rãi trong các phản ứng quang xúc tác, đặc biệt là phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Vật liệu này cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy rhodamine B (RhB) dưới ánh sáng khả kiến, nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, G-C3N4 pha tạp oxy có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất chất xúc tác quang, mang lại tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.
3.1. Phân hủy rhodamine B bằng G C3N4 pha tạp oxy
G-C3N4 pha tạp oxy được sử dụng để phân hủy rhodamine B (RhB) trong nước dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy, vật liệu này có hiệu suất phân hủy cao hơn so với G-C3N4 nguyên chất, nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, G-C3N4 pha tạp oxy có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất chất xúc tác quang.
3.2. Cơ chế xúc tác quang của G C3N4 pha tạp oxy
Cơ chế xúc tác quang của G-C3N4 pha tạp oxy dựa trên việc tạo ra các electron và lỗ trống quang sinh khi vật liệu hấp thụ ánh sáng. Các electron này tham gia vào quá trình khử oxy để tạo ra các gốc tự do, trong khi các lỗ trống tham gia vào quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm. Pha tạp oxy giúp tăng cường hiệu quả của quá trình này bằng cách giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng.
