Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do chất thải hữu cơ trong nước là một vấn đề nghiêm trọng hiện nay, bởi các hợp chất này rất bền, khó phân hủy sinh học và tồn lưu lâu dài trong môi trường. Theo ước tính, việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ đòi hỏi các phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn dưới ánh sáng khả kiến đã trở thành hướng nghiên cứu hấp dẫn, tận dụng nguồn năng lượng mặt trời sẵn có và oxy không khí để phân hủy các chất ô nhiễm.

Graphit cacbon nitrua (g-C3N4) là một vật liệu bán dẫn polyme không chứa kim loại, có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, dễ tổng hợp và bền hóa. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có nhược điểm là dễ tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh, làm giảm hiệu suất xúc tác quang. Titan đioxit (TiO2) là chất xúc tác quang bán dẫn phổ biến với chi phí thấp, độ bền cao và hoạt tính quang xúc tác tốt, nhưng có vùng cấm rộng (3,2 eV đối với dạng anatase) và hiệu suất chuyển hóa thấp dưới ánh sáng mặt trời.

Việc tổng hợp vật liệu composite TiO2/g-C3N4 nhằm khắc phục nhược điểm của từng vật liệu riêng lẻ, giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống và nâng cao hiệu quả xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu composite TiO2/g-C3N4 có hoạt tính quang xúc tác cao, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến hoạt tính xúc tác, và ứng dụng trong phân hủy Rhodamine B (RhB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2019, với phạm vi tổng hợp và khảo sát vật liệu composite TiO2/g-C3N4 từ melamin, dung dịch TiCl4 và dung dịch RhB. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện, hiệu quả trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

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:

  • Khái niệm xúc tác quang: Quá trình xúc tác xảy ra dưới tác dụng ánh sáng, tạo ra cặp electron quang sinh (e-CB) và lỗ trống quang sinh (h+VB) trong vật liệu bán dẫn, kích hoạt các phản ứng oxi hóa-khử phân hủy chất hữu cơ.

  • Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn: Vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) phân cách bởi vùng cấm năng lượng Eg. Vật liệu bán dẫn có Eg < 3,5 eV có thể kích hoạt quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.

  • Cơ chế quang xúc tác của TiO2 và g-C3N4: TiO2 anatase có Eg khoảng 3,2 eV, tạo ra các gốc OH• và O2- có hoạt tính oxi hóa cao. g-C3N4 có Eg khoảng 2,7 eV, hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt nhưng dễ tái kết hợp electron-lỗ trống. Composite TiO2/g-C3N4 kết hợp ưu điểm của hai vật liệu, giảm tái kết hợp và tăng hiệu suất quang xúc tác.

  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood: Áp dụng để mô tả quá trình phân hủy RhB trên bề mặt xúc tác quang, xác định hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến.

Các khái niệm chính bao gồm: electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, năng lượng vùng cấm (Eg), gốc tự do OH•, O2-, và cơ chế tái kết hợp electron-lỗ trống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng melamin để tổng hợp g-C3N4, dung dịch TiCl4 làm tiền chất tổng hợp TiO2, và dung dịch Rhodamine B (30 mg/L) làm chất ô nhiễm mô phỏng.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:

    • g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt từ melamin nung ở 550°C trong 1 giờ.
    • Composite TiO2/g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, trộn g-C3N4 với dung dịch TiCl4 trong dung môi ethanol-nước với tỷ lệ khác nhau, thủy nhiệt ở 180°C trong 8 giờ, sau đó nung ở nhiệt độ từ 400°C đến 500°C.

  • Phương pháp đặc trưng vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể.
    • Phổ quang điện tử tia X (XPS) xác định thành phần và trạng thái hóa học bề mặt.
    • Phổ UV-Vis khuếch tán (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) phân tích thành phần nguyên tố.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác:

    • Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ RhB trong bóng tối.
    • Đánh giá khả năng phân hủy RhB dưới ánh sáng đèn sợi tóc 220V – 60W trong 7 giờ.
    • Nồng độ RhB được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 553 nm.
    • Phân tích động học phân hủy RhB theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu, đặc trưng vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác được thực hiện trong năm 2019 tại Trường Đại học Quy Nhơn và các phòng thí nghiệm liên kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi ethanol-nước đến hoạt tính xúc tác: Vật liệu composite TiO2/g-C3N4 tổng hợp trong dung môi 30% nước : 70% ethanol (TN-30) cho hiệu suất phân hủy RhB cao nhất, đạt khoảng 85% sau 7 giờ chiếu sáng, vượt trội so với các tỷ lệ khác như TN-0 (100% ethanol) và TN-100 (100% nước) với hiệu suất lần lượt khoảng 60% và 70%.

  2. Ảnh hưởng thể tích dung dịch TiCl4: Khi thể tích TiCl4 tăng từ 0,25 mL đến 1 mL, hoạt tính xúc tác quang của composite tăng rõ rệt, với hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến k đạt 0,035 min⁻¹ ở 1 mL TiCl4, cao hơn gấp 2 lần so với vật liệu chỉ có g-C3N4.

  3. Ảnh hưởng nhiệt độ nung vật liệu: Nung vật liệu composite ở 450°C (TN-450) cho hiệu suất phân hủy RhB cao nhất, đạt khoảng 90% sau 7 giờ, so với 80% ở 400°C và 75% ở 500°C. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và kích thước hạt, từ đó ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác.

  4. Hoạt tính dưới ánh sáng mặt trời: Vật liệu TN-450 phân hủy RhB hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, đạt hiệu suất trên 85% trong 5 giờ, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tỷ lệ dung môi ethanol-nước ảnh hưởng đến sự phân tán và tương tác giữa TiO2 và g-C3N4 trong composite, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và sự tách biệt electron-lỗ trống. Tỷ lệ 30% nước : 70% ethanol tối ưu giúp tăng diện tích bề mặt và giảm tái kết hợp, nâng cao hiệu suất xúc tác.

Thể tích TiCl4 ảnh hưởng đến lượng TiO2 được tạo thành trên nền g-C3N4, thể hiện qua phổ XRD và EDS, làm tăng số lượng vị trí hoạt động xúc tác. Tuy nhiên, thể tích quá lớn có thể gây kết tụ hạt, giảm diện tích bề mặt.

Nhiệt độ nung điều chỉnh pha tinh thể anatase của TiO2 và kích thước hạt, ảnh hưởng đến vùng cấm năng lượng và khả năng chuyển giao điện tử. Nung ở 450°C cân bằng tốt giữa kết tinh và kích thước hạt, tối ưu hóa hoạt tính xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trước, composite TiO2/g-C3N4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt và điều chỉnh điều kiện tổng hợp cho hiệu suất phân hủy RhB cao hơn nhiều so với TiO2 hoặc g-C3N4 đơn lẻ, phù hợp với mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân hủy RhB theo thời gian, đồ thị hằng số tốc độ phản ứng theo điều kiện tổng hợp, và giản đồ XRD thể hiện cấu trúc tinh thể.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ dung môi trong tổng hợp: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ 30% nước : 70% ethanol trong phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp composite TiO2/g-C3N4 nhằm đạt hiệu suất xúc tác quang cao nhất. Thời gian thực hiện: ngay trong các quy trình sản xuất vật liệu.

  2. Kiểm soát thể tích TiCl4: Đề xuất sử dụng thể tích TiCl4 khoảng 1 mL trên 1,5 gam g-C3N4 để cân bằng giữa lượng TiO2 và diện tích bề mặt, tránh kết tụ hạt. Chủ thể thực hiện: nhà nghiên cứu và nhà sản xuất vật liệu.

  3. Điều chỉnh nhiệt độ nung vật liệu: Nung composite ở 450°C để đạt cấu trúc tinh thể anatase tối ưu và kích thước hạt phù hợp, nâng cao hoạt tính xúc tác. Thời gian nung khoảng 2 giờ. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

  4. Ứng dụng trong xử lý nước thải: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm thực tế sử dụng composite TiO2/g-C3N4 tổng hợp theo quy trình trên để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt dưới ánh sáng mặt trời. Chủ thể thực hiện: các cơ sở xử lý môi trường và doanh nghiệp.

  5. Nghiên cứu mở rộng: Đề xuất nghiên cứu thêm về khả năng tái sử dụng vật liệu composite và hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm khác như methyl da cam, xanh methylen để mở rộng ứng dụng. Thời gian nghiên cứu tiếp theo: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa lý: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite TiO2/g-C3N4, phương pháp quang xúc tác và ứng dụng xử lý ô nhiễm hữu cơ.

  2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Tham khảo để áp dụng vật liệu xúc tác quang trong xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại dưới ánh sáng khả kiến.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Nắm bắt quy trình tổng hợp vật liệu composite hiệu quả, điều chỉnh điều kiện tổng hợp để sản xuất vật liệu xúc tác quang chất lượng cao, thân thiện môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Hiểu rõ về công nghệ xử lý ô nhiễm tiên tiến, hỗ trợ xây dựng các chính sách thúc đẩy ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite TiO2/g-C3N4 có ưu điểm gì so với TiO2 hoặc g-C3N4 riêng lẻ?
    Composite kết hợp ưu điểm của TiO2 và g-C3N4, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, nâng cao hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Ví dụ, hiệu suất phân hủy RhB tăng gấp đôi so với TiO2 tinh khiết.

  2. Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có ưu điểm gì?
    Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và phân tán vật liệu, tạo composite đồng nhất với hoạt tính xúc tác cao. Thời gian và nhiệt độ thủy nhiệt có thể điều chỉnh linh hoạt.

  3. Tại sao cần điều chỉnh tỷ lệ dung môi ethanol và nước trong tổng hợp?
    Tỷ lệ dung môi ảnh hưởng đến sự hòa tan, phân tán và tương tác giữa TiCl4 và g-C3N4, từ đó ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính xúc tác của composite. Tỷ lệ 30% nước : 70% ethanol được chứng minh tối ưu trong nghiên cứu.

  4. Nhiệt độ nung ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính xúc tác?
    Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến pha tinh thể anatase của TiO2 và kích thước hạt. Nung ở 450°C tạo ra cấu trúc tinh thể ổn định, kích thước hạt phù hợp, giúp tăng hiệu suất phân hủy RhB so với nung ở nhiệt độ thấp hoặc cao hơn.

  5. Vật liệu composite có thể ứng dụng trong xử lý ô nhiễm thực tế không?
    Có, nghiên cứu cho thấy composite TiO2/g-C3N4 hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên, phân hủy RhB nhanh chóng, phù hợp ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt, góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite TiO2/g-C3N4 bằng phương pháp thủy nhiệt với hoạt tính xúc tác quang cao trong vùng ánh sáng khả kiến.
  • Tỷ lệ dung môi ethanol-nước, thể tích TiCl4 và nhiệt độ nung là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính xúc tác của composite.
  • Vật liệu composite TN-450 (nung 450°C, tỷ lệ dung môi 30% nước : 70% ethanol, TiCl4 1 mL) đạt hiệu suất phân hủy RhB trên 90% sau 7 giờ chiếu sáng.
  • Composite hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, mở rộng khả năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu và ứng dụng phân hủy các chất ô nhiễm khác, đồng thời triển khai thử nghiệm thực tế trong xử lý nước thải.

Áp dụng quy trình tổng hợp tối ưu trong sản xuất vật liệu xúc tác, triển khai thử nghiệm xử lý nước thải thực tế và nghiên cứu mở rộng ứng dụng. Độc giả và nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo chi tiết luận văn để phát triển các dự án liên quan.