Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nước, đang là vấn đề cấp bách được nhiều quốc gia quan tâm. Theo ước tính, các phương pháp xử lý nước truyền thống như vi sinh, hấp phụ hay quang hóa còn tồn tại nhiều hạn chế về hiệu suất và chi phí. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác nổi lên như một giải pháp xanh, sử dụng ánh sáng mặt trời và các chất oxi hóa tự nhiên để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước. Phương pháp này không gây ô nhiễm thứ cấp, có khả năng tái sử dụng cao và chi phí thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu SnO2 biến tính bằng g-C3N4 nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ trong nước, cụ thể là methylene blue (MB). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/SnO2 với các tỉ lệ khác nhau, khảo sát hoạt tính xúc tác quang dưới ánh sáng khả kiến, tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2021. Mục tiêu chính là tạo ra vật liệu composite có năng lượng vùng cấm phù hợp, giảm thiểu sự tái kết hợp electron – lỗ trống quang sinh, từ đó tăng cường hiệu suất quang xúc tác.

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 thải công nghiệp và sinh hoạt, đồng thời mở rộng ứng dụng của SnO2 trong lĩnh vực quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn, trong đó SnO2 là chất bán dẫn loại n với năng lượng vùng cấm rộng khoảng 3,6 eV, chủ yếu hấp thụ ánh sáng tử ngoại. g-C3N4 là vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng có nhược điểm là dễ tái kết hợp electron – lỗ trống quang sinh, làm giảm hiệu suất xúc tác.

Cơ chế quang xúc tác được mô tả qua các bước: (1) kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng ≥ Eg, tạo ra cặp electron – lỗ trống quang sinh; (2) chuyển dịch các điện tích này đến bề mặt vật liệu; (3) tương tác với các phân tử nước và oxy tạo ra các gốc tự do như •OH, •O2ˉ có khả năng oxi hóa mạnh; (4) phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Quá trình tái kết hợp electron – lỗ trống làm giảm hiệu quả xúc tác, do đó việc tạo composite g-C3N4/SnO2 nhằm giảm thiểu tái kết hợp này là hướng đi hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh (eˉ_CB), lỗ trống quang sinh (h⁺_VB), hiệu ứng bẫy electron, và cơ chế chuyển dịch hạt tải điện trong vật liệu composite.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn và các thiết bị phân tích tại các cơ sở liên kết. Cỡ mẫu gồm các vật liệu SnO2 nung ở nhiệt độ 350, 450, 550 °C (ký hiệu SO-T), g-C3N4 tổng hợp từ melamine, và composite g-C3N4/SnO2 với tỉ lệ 1:1, 1:3, 1:5.

Phương pháp tổng hợp vật liệu bao gồm:

  • Tổng hợp SnO2 bằng phương pháp nhiệt từ dung dịch SnCl4 và ethanol, điều chỉnh pH tạo gel, sấy khô và nung ở các nhiệt độ khác nhau.
  • Tổng hợp g-C3N4 từ melamine qua quá trình nhiệt phân ở 520 °C.
  • Tổng hợp composite g-C3N4/SnO2 bằng phương pháp nung hỗn hợp các vật liệu ở 550 °C.

Phương pháp đặc trưng vật liệu sử dụng các kỹ thuật hóa lý hiện đại: XRD để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt; SEM và HRTEM để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc nano; phổ IR để xác định các nhóm chức; EDX và XPS để phân tích thành phần và trạng thái hóa học; UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.

Hoạt tính xúc tác quang được đánh giá qua phản ứng phân hủy methylene blue trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến, đo nồng độ MB theo thời gian bằng phương pháp UV-Vis tại bước sóng 663 nm. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng vài tháng, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu để phân tích động học và hiệu suất xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu SnO2 và g-C3N4: Kích thước tinh thể SnO2 trung bình khoảng 4,5 nm, cấu trúc rutile tinh thể rõ ràng. g-C3N4 có cấu trúc phân lớp, năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, phù hợp hấp thụ ánh sáng khả kiến.

  2. Hiệu quả tổng hợp composite g-C3N4/SnO2: Composite với tỉ lệ 1:3 cho thấy sự phân tán đồng đều các hạt SnO2 trên bề mặt g-C3N4, giảm đáng kể sự tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng. Năng lượng vùng cấm composite giảm so với SnO2 đơn thuần, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

  3. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB: Composite g-C3N4/SnO2-1:3 đạt hiệu suất phân hủy MB cao nhất, với hằng số tốc độ phản ứng gấp khoảng 5,8 lần so với g-C3N4 nguyên chất và gấp 32 lần so với SnO2 đơn lẻ. Thời gian cân bằng hấp phụ đạt khoảng 30 phút, hiệu suất phân hủy đạt trên 90% trong vòng 120 phút chiếu sáng.

  4. Ảnh hưởng các yếu tố thực nghiệm: Nồng độ ban đầu MB tăng từ 5 đến 40 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy do bão hòa bề mặt xúc tác. Cường độ nguồn sáng LED tăng từ 10W đến 30W làm tăng hiệu suất phân hủy lên đến 25%. pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt, pH trung tính đến kiềm nhẹ (pH 7-9) là điều kiện tối ưu cho hoạt tính xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác quang của composite g-C3N4/SnO2 vượt trội nhờ cơ chế chuyển dịch electron từ vùng dẫn của g-C3N4 sang SnO2, làm giảm quá trình tái kết hợp electron – lỗ trống, kéo dài thời gian tồn tại các hạt tải điện và tăng sinh các gốc tự do oxi hóa mạnh. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu composite tương tự, đồng thời mở rộng ứng dụng cho phân hủy methylene blue, một chất màu bền vững và khó phân hủy.

Biểu đồ động học Langmuir-Hinshelwood thể hiện sự tuyến tính của ln(C0/C) theo thời gian, chứng tỏ phản ứng tuân theo cơ chế hấp phụ bề mặt và phân hủy quang xúc tác. Bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng giữa các mẫu cho thấy sự ưu việt của composite tỉ lệ 1:3.

Ngoài ra, việc khảo sát ảnh hưởng pH và cường độ ánh sáng giúp xác định điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải. Các kết quả phân tích SEM, HRTEM, XPS và UV-Vis DRS minh chứng cho sự thành công trong tổng hợp và biến tính vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp composite: Áp dụng phương pháp nung ở 550 °C với tỉ lệ g-C3N4/SnO2 là 1:3 để đạt hiệu suất xúc tác quang cao nhất. Thời gian nung 4 giờ được khuyến nghị để đảm bảo cấu trúc tinh thể và phân tán hạt nano đồng đều.

  2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến khích sử dụng composite g-C3N4/SnO2 trong các hệ thống xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ bền vững như thuốc nhuộm, với điều kiện pH duy trì từ 7 đến 9 và cường độ ánh sáng khả kiến đủ mạnh (≥ 20W).

  3. Nâng cao hiệu quả bằng thiết kế hệ thống chiếu sáng: Sử dụng nguồn sáng LED công suất cao hoặc ánh sáng mặt trời có bộ lọc phù hợp để tối ưu hóa quá trình quang xúc tác, giảm thời gian xử lý và chi phí vận hành.

  4. Phát triển vật liệu composite đa chức năng: Nghiên cứu kết hợp thêm các vật liệu khác như ZnO, TiO2 để tạo composite đa pha, tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và mở rộng phổ ứng dụng trong khử trùng và xử lý khí độc hại.

  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp xử lý môi trường và các cơ sở sản xuất vật liệu xúc tác nên phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng và thương mại hóa vật liệu composite này trong vòng 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu bán dẫn, quang xúc tác, đặc biệt là composite g-C3N4/SnO2, cung cấp kiến thức nền tảng và phương pháp thực nghiệm chi tiết.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng quang xúc tác, nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo để phát triển sản phẩm composite mới, cải tiến công nghệ sản xuất vật liệu xúc tác quang, mở rộng thị trường ứng dụng.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng và giới hạn của công nghệ quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm nước, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite g-C3N4/SnO2 có ưu điểm gì so với SnO2 hoặc g-C3N4 đơn lẻ?
    Composite giảm thiểu sự tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng diện tích bề mặt và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Phương pháp nung hỗn hợp g-C3N4 và SnO2 ở 550 °C trong 4 giờ là đơn giản, dễ thực hiện và có thể áp dụng quy mô phòng thí nghiệm đến công nghiệp nhỏ.

  3. Methylene blue được sử dụng làm chất thử có ý nghĩa gì?
    MB là chất màu bền, phổ biến trong công nghiệp nhuộm, khó phân hủy sinh học, do đó phân hủy MB là thước đo hiệu quả xúc tác quang trong xử lý nước thải.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion của MB, pH trung tính đến kiềm nhẹ là điều kiện tối ưu giúp tăng hiệu suất phân hủy.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, với điều kiện chiếu sáng phù hợp và kiểm soát pH, vật liệu composite g-C3N4/SnO2 có thể ứng dụng hiệu quả trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ độc hại.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite g-C3N4/SnO2 với tỉ lệ 1:3 có kích thước hạt nano đồng đều, cấu trúc tinh thể rõ ràng và năng lượng vùng cấm phù hợp cho quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.
  • Composite này thể hiện hiệu suất phân hủy methylene blue vượt trội, gấp 5,8 lần g-C3N4 và 32 lần SnO2 đơn lẻ, nhờ giảm thiểu tái kết hợp electron – lỗ trống.
  • Các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xúc tác, với điều kiện tối ưu được xác định.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng composite và phát triển các vật liệu đa chức năng trong vòng 2-3 năm tới.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các giải pháp xử lý ô nhiễm nước hiệu quả và bền vững hơn trong tương lai.