I. Tổng quan về vật liệu SnO2 và ứng dụng trong quang xúc tác
SnO2 là một vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm rộng (3,6 eV), chủ yếu hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại. Vật liệu SnO2 được nghiên cứu rộng rãi nhờ tính chất quang xúc tác mạnh, đặc biệt trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại. Biến tính SnO2 bằng cách kết hợp với các vật liệu khác như g-C3N4 giúp cải thiện hiệu suất quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Hoạt tính quang xúc tác của SnO2 biến tính được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước. Quang xúc tác là phương pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải, nhờ sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và không gây ô nhiễm thứ cấp.
1.1. Cấu trúc và tính chất của SnO2
SnO2 có cấu trúc tinh thể tetragonal, với các nguyên tử thiếc (Sn) và oxy (O) liên kết chặt chẽ. Vật liệu SnO2 có độ bền hóa học cao, khả năng dẫn điện tốt và tính ổn định nhiệt. Tính chất quang xúc tác của SnO2 được quyết định bởi năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, SnO2 chỉ hấp thụ mạnh ánh sáng tử ngoại, hạn chế hiệu suất trong vùng ánh sáng khả kiến. Biến tính SnO2 bằng cách kết hợp với g-C3N4 giúp mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái kết hợp electron - lỗ trống, từ đó tăng cường hoạt tính quang xúc tác.
1.2. Ứng dụng của SnO2 trong quang xúc tác
SnO2 được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang xúc tác nhờ khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc nhuộm, phenol và các chất ô nhiễm khác. Vật liệu SnO2 biến tính với g-C3N4 cho thấy hiệu suất cao trong việc phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Ứng dụng SnO2 trong xử lý nước thải mang lại nhiều lợi ích như chi phí thấp, khả năng tái sử dụng và không gây ô nhiễm thứ cấp. SnO2 trong quang xúc tác cũng được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất bằng cách tối ưu hóa các điều kiện phản ứng như nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng và pH dung dịch.
II. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu SnO2 biến tính
Tổng hợp vật liệu SnO2 được thực hiện bằng phương pháp nhiệt, trong khi g-C3N4 được tổng hợp từ melamine. Vật liệu composite g-C3N4/SnO2 được tạo ra bằng cách nung hỗn hợp SnO2 và g-C3N4 ở các tỷ lệ khác nhau. Phương pháp tổng hợp này đảm bảo sự đồng nhất và ổn định của vật liệu. Đặc trưng vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Các phương pháp này giúp xác định cấu trúc, hình thái và thành phần hóa học của vật liệu SnO2 biến tính.
2.1. Tổng hợp vật liệu SnO2 và g C3N4
Tổng hợp vật liệu SnO2 được thực hiện bằng phương pháp nhiệt, trong đó các tiền chất thiếc được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành SnO2 tinh khiết. Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp từ melamine bằng phương pháp nhiệt phân, tạo ra một vật liệu có cấu trúc phẳng và năng lượng vùng cấm thấp. Phương pháp tổng hợp này đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết hợp với SnO2 để tạo ra vật liệu composite g-C3N4/SnO2.
2.2. Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp hiện đại
Đặc trưng vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, và phổ hồng ngoại (IR) để xác định các liên kết hóa học. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Các phương pháp này giúp đánh giá tính chất và hiệu suất của vật liệu SnO2 biến tính trong các ứng dụng quang xúc tác.
III. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu SnO2 biến tính
Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu SnO2 biến tính được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Khảo sát hoạt tính bao gồm việc đo lường sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ ban đầu, cường độ ánh sáng và pH dung dịch. Vật liệu composite g-C3N4/SnO2 cho thấy hiệu suất cao hơn so với SnO2 và g-C3N4 riêng lẻ, nhờ hiệu ứng cộng hưởng và giảm sự tái kết hợp electron - lỗ trống. Tối ưu hóa quang xúc tác được thực hiện để đạt hiệu suất cao nhất trong các điều kiện thực tế.
3.1. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác
Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu SnO2 biến tính được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước. Khảo sát hoạt tính bao gồm việc đo lường sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian bằng phương pháp UV-Vis. Vật liệu composite g-C3N4/SnO2 cho thấy hiệu suất cao hơn so với SnO2 và g-C3N4 riêng lẻ, nhờ hiệu ứng cộng hưởng và giảm sự tái kết hợp electron - lỗ trống. Tính chất quang xúc tác của vật liệu được cải thiện đáng kể nhờ sự kết hợp này.
3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố thực nghiệm
Ảnh hưởng của các yếu tố thực nghiệm như nồng độ ban đầu của MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch được khảo sát để tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác. Kết quả cho thấy, vật liệu composite g-C3N4/SnO2 đạt hiệu suất cao nhất ở nồng độ MB thấp, cường độ ánh sáng cao và pH trung tính. Tối ưu hóa quang xúc tác được thực hiện để đạt hiệu suất cao nhất trong các điều kiện thực tế, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu SnO2 biến tính trong xử lý nước thải.
