Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước đang là một trong những thách thức lớn đối với sự phát triển bền vững toàn cầu. Theo ước tính, chỉ có khoảng 0,25% lượng nước sạch trên Trái Đất nằm trong các hệ thống sông, hồ và hồ chứa, là nguồn nước trực tiếp phục vụ sinh hoạt và sản xuất. Trong khi đó, ngành công nghiệp dệt may thải ra khoảng 1–20% tổng lượng thuốc nhuộm sản xuất hàng năm vào môi trường nước, gây ô nhiễm nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như sinh học, hóa học và vật lý đều tồn tại nhiều hạn chế về hiệu quả, chi phí và khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững.

Trong bối cảnh đó, quá trình quang xúc tác dị thể sử dụng vật liệu bán dẫn như TiO2 đã được nghiên cứu rộng rãi nhằm phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn (~3,2 eV) nên chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, chiếm tỷ lệ nhỏ trong phổ ánh sáng mặt trời. Do vậy, việc phát triển các vật liệu xúc tác quang có năng lượng vùng cấm thấp hơn, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến là rất cần thiết.

Vật liệu FeYO3 thuộc nhóm perovskite oxide với năng lượng vùng cấm khoảng 2,58 eV, có khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến và tính sắt từ giúp dễ dàng thu hồi sau sử dụng. Tuy nhiên, FeYO3 kém ổn định về mặt nhiệt động lực học và khó tổng hợp tinh khiết do dễ chuyển pha thành các dạng bền hơn ở nhiệt độ cao. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu FeYO3 bằng các phương pháp sol-gel và đồng kết tủa, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và hiệu suất xúc tác quang phân hủy methylene blue (MB) – một chất nhuộm hữu cơ phổ biến.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm tối ưu quy trình tổng hợp FeYO3, đánh giá hoạt tính xúc tác quang dưới ánh sáng khả kiến, đồng thời phân tích động học quá trình phân hủy MB. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu FeYO3 tổng hợp tại phòng thí nghiệm với các điều kiện thiêu kết từ 700 đến 1000 ºC, khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid, cũng như quy trình tổng hợp. Kết quả 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.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá trình quang xúc tác dị thể (Heterogeneous photocatalysis): Quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) sử dụng vật liệu bán dẫn kích thích bởi ánh sáng có năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg), tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các lỗ trống này oxy hóa nước tạo gốc hydroxyl (HO•) – tác nhân oxi hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O.

  • Cơ chế phản ứng quang xúc tác: Bao gồm các bước khuếch tán chất phản ứng đến bề mặt xúc tác, hấp phụ, phản ứng quang xúc tác, giải hấp phụ sản phẩm và loại bỏ sản phẩm khỏi bề mặt. Hiệu quả phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa quá trình tái hợp electron-lỗ trống và phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt.

  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood: Mô hình này mô tả tốc độ phản ứng quang xúc tác dựa trên sự hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác và phản ứng hóa học trên bề mặt. Trong điều kiện nồng độ thấp, phản ứng tuân theo động học giả bậc nhất.

  • Vật liệu perovskite FeYO3: Là chất bán dẫn gián tiếp loại p với cấu trúc perovskite biến dạng, có năng lượng vùng cấm khoảng 2,58 eV, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Tính sắt từ của FeYO3 giúp thu hồi vật liệu dễ dàng bằng nam châm.

  • Methylene blue (MB): Chất nhuộm hữu cơ bền vững, được sử dụng làm chất mô phỏng trong đánh giá hoạt tính xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu FeYO3 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng hai phương pháp chính: sol-gel và đồng kết tủa. Các điều kiện tổng hợp như tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid, nhiệt độ thiêu kết (700–1000 ºC), và quy trình tổng hợp được biến đổi để khảo sát ảnh hưởng.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • Phương pháp sol-gel: Hòa tan Y2O3 và Fe(NO3)3.9H2O trong HNO3, thêm citric acid với tỉ lệ mol khác nhau, khuấy tạo sol, chuyển thành gel, sấy và thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau.
    • Phương pháp đồng kết tủa: Hòa tan nguyên liệu, điều chỉnh pH bằng NH4OH đến 10, lọc, sấy và thiêu kết.

  • Phương pháp đặc trưng vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể, pha và kích thước tinh thể.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái bề mặt, kích thước hạt.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS): Phân tích thành phần hóa học.
    • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS): Xác định năng lượng vùng cấm Eg.
    • Phổ hồng ngoại (IR): Xác định các nhóm chức và cấu trúc phân tử.

  • Khảo sát hoạt tính xúc tác quang:

    • Xây dựng đường chuẩn hấp thụ quang của MB tại bước sóng 663 nm với nồng độ từ 0,5 đến 10 mg/L.
    • Xác định thời gian cân bằng hấp phụ và giải hấp phụ của MB trên bề mặt FeYO3.
    • Thí nghiệm phân hủy MB dưới ánh sáng đèn sợi đốt 60 W – 220 V trong 6 giờ, đo nồng độ MB còn lại theo thời gian bằng máy UV-Vis.
    • Tính hiệu suất phân hủy MB và đánh giá động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong khoảng thời gian thực nghiệm, thiêu kết mẫu trong 5 giờ ở các nhiệt độ khác nhau, đo đạc và phân tích dữ liệu theo từng bước thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid đến cấu trúc tinh thể và kích thước hạt:

    • Các mẫu FeYO3 tổng hợp theo phương pháp sol-gel với tỉ lệ mol 1:1, 1:2, 1:3, 1:4 đều có cấu trúc orthorhombic thuộc nhóm không gian Pnma(62), phù hợp với chuẩn JCPDS.
    • Kích thước tinh thể tính theo công thức Debye-Scherrer dao động từ 16,7 đến 19,3 nm, trong đó tỉ lệ 1:1 cho kích thước lớn nhất (19,3 nm), các tỉ lệ khác nhỏ hơn khoảng 17 nm.
    • Phổ hồng ngoại cho thấy các dải hấp thụ đặc trưng của liên kết Fe-O-Fe và các nhóm hydroxyl, không có sự thay đổi đáng kể khi thay đổi tỉ lệ mol.

  2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hình thái bề mặt:

    • Ảnh SEM cho thấy kích thước hạt nano đồng đều, với tỉ lệ 1:3 và 1:4 có kích thước hạt đồng đều hơn và ít kết đám hơn so với tỉ lệ 1:1 và 1:2.
    • Hình thái bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ và tiếp xúc của các phân tử MB với bề mặt xúc tác.

  3. Hiệu suất phân hủy methylene blue:

    • Mẫu FeYO3 với tỉ lệ mol 1:2 giữa ion kim loại và citric acid thiêu kết ở 850 ºC đạt hiệu suất phân hủy MB cao nhất, khoảng 85% sau 6 giờ chiếu sáng.
    • So với mẫu trắng không xúc tác, hiệu suất phân hủy tăng đáng kể, chứng tỏ hoạt tính xúc tác quang của FeYO3.
    • Nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng đến năng lượng vùng cấm Eg và hiệu suất phân hủy; nhiệt độ tối ưu là 850 ºC, khi đó Eg khoảng 2,58 eV.

  4. Động học phản ứng:

    • Quá trình phân hủy MB tuân theo động học giả bậc nhất với hằng số tốc độ phản ứng k dao động trong khoảng 0,0025 – 0,0045 min⁻¹ tùy điều kiện tổng hợp.
    • Đường biểu diễn ln(C0/C) theo thời gian cho thấy sự tuyến tính cao, phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood.

Thảo luận kết quả

Việc giữ nguyên cấu trúc tinh thể orthorhombic của FeYO3 khi thay đổi tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid cho thấy tính ổn định cấu trúc của vật liệu trong phạm vi điều kiện tổng hợp khảo sát. Kích thước tinh thể nhỏ (< 20 nm) và hình thái bề mặt đồng đều giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hiệu quả hấp phụ và phản ứng quang xúc tác.

Hiệu suất phân hủy MB cao nhất ở tỉ lệ mol 1:2 và nhiệt độ thiêu kết 850 ºC cho thấy sự cân bằng tối ưu giữa kích thước hạt, độ tinh thể và năng lượng vùng cấm. Nhiệt độ thiêu kết quá cao có thể làm tăng kích thước hạt, giảm diện tích bề mặt và làm giảm hiệu suất xúc tác. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về vật liệu perovskite xúc tác quang khác, đồng thời vượt trội hơn TiO2 truyền thống do hoạt động dưới ánh sáng khả kiến.

Động học giả bậc nhất phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood cho thấy quá trình hấp phụ MB trên bề mặt FeYO3 là bước giới hạn tốc độ phản ứng. Việc sử dụng đèn sợi đốt với phổ ánh sáng chủ yếu là khả kiến phù hợp với mục tiêu ứng dụng thực tế tận dụng ánh sáng mặt trời.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng, ảnh SEM minh họa hình thái bề mặt và kích thước hạt, đồ thị UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm, cùng đồ thị biểu diễn sự giảm nồng độ MB theo thời gian và đồ thị động học ln(C0/C) theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp FeYO3:

    • Áp dụng tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid là 1:2, thiêu kết ở nhiệt độ 850 ºC trong 5 giờ để đạt hiệu suất xúc tác quang cao nhất.
    • Thời gian thực hiện: 3–6 tháng để hoàn thiện quy trình và kiểm tra lặp lại.

  2. Phát triển vật liệu xúc tác quang ứng dụng xử lý nước thải:

    • Sử dụng FeYO3 làm chất xúc tác quang trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa phẩm nhuộm hữu cơ.
    • Mục tiêu nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm trên 80% trong vòng 6 giờ chiếu sáng.
    • Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  3. Nghiên cứu mở rộng về tính ổn định và tái sử dụng:

    • Khảo sát khả năng tái sử dụng FeYO3 qua nhiều chu kỳ xúc tác, đánh giá sự suy giảm hiệu suất.
    • Thời gian nghiên cứu: 6–12 tháng.
    • Chủ thể: các phòng thí nghiệm vật liệu và môi trường.

  4. Ứng dụng công nghệ chiếu sáng tự nhiên:

    • Thiết kế hệ thống xúc tác quang tận dụng ánh sáng mặt trời, giảm chi phí năng lượng.
    • Mục tiêu tăng cường hiệu quả xúc tác dưới ánh sáng khả kiến tự nhiên.
    • Chủ thể: các tổ chức phát triển công nghệ xanh và doanh nghiệp xử lý nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu:

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp vật liệu perovskite FeYO3, phương pháp đặc trưng và ứng dụng xúc tác quang.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu xúc tác quang và xử lý môi trường.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải:

    • Lợi ích: Áp dụng vật liệu FeYO3 trong công nghệ xử lý nước thải chứa phẩm nhuộm hữu cơ.
    • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xanh:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ tổng hợp vật liệu xúc tác quang hiệu quả, tiết kiệm năng lượng.
    • Use case: Sản xuất vật liệu xúc tác quang ứng dụng trong xử lý nước và không khí.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường:

    • Lợi ích: Hiểu rõ các giải pháp công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.
    • Use case: Đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu FeYO3 có ưu điểm gì so với TiO2 trong xúc tác quang?
    FeYO3 có năng lượng vùng cấm thấp hơn (~2,58 eV so với ~3,2 eV của TiO2), cho phép hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến chiếm hơn 43% ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, FeYO3 có tính sắt từ giúp dễ dàng thu hồi bằng nam châm, giảm chi phí vận hành.

  2. Tại sao methylene blue được chọn làm chất mô phỏng trong nghiên cứu?
    Methylene blue là chất nhuộm hữu cơ bền vững, phổ biến trong công nghiệp, có đặc tính hấp thụ quang rõ ràng tại 663 nm, thuận tiện cho việc đo lường và đánh giá hiệu suất phân hủy xúc tác quang.

  3. Phương pháp sol-gel và đồng kết tủa khác nhau như thế nào trong tổng hợp FeYO3?
    Phương pháp sol-gel tạo gel từ dung dịch tiền chất qua quá trình thủy phân và ngưng tụ, cho vật liệu có kích thước hạt nhỏ và đồng đều. Phương pháp đồng kết tủa dựa trên tạo kết tủa đồng thời các ion kim loại bằng cách điều chỉnh pH, thường đơn giản nhưng khó kiểm soát kích thước hạt đồng đều.

  4. Nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Nhiệt độ thiêu kết cao giúp tăng độ tinh thể và ổn định cấu trúc, nhưng cũng làm tăng kích thước hạt, giảm diện tích bề mặt và hiệu suất xúc tác. Nhiệt độ tối ưu trong nghiên cứu là 850 ºC, cân bằng giữa độ tinh thể và kích thước hạt.

  5. Làm thế nào để đánh giá động học của quá trình phân hủy MB?
    Động học được đánh giá bằng cách đo nồng độ MB còn lại theo thời gian, vẽ đồ thị ln(C0/C) theo thời gian. Sự tuyến tính của đồ thị này chứng tỏ phản ứng tuân theo động học giả bậc nhất theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu FeYO3 tinh khiết với cấu trúc perovskite orthorhombic, kích thước tinh thể nano dưới 20 nm.
  • Tỉ lệ mol ion kim loại và citric acid 1:2, thiêu kết ở 850 ºC là điều kiện tối ưu cho hiệu suất xúc tác quang phân hủy methylene blue đạt khoảng 85% sau 6 giờ chiếu sáng.
  • Quá trình phân hủy MB tuân theo động học giả bậc nhất, phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood, cho thấy sự hấp phụ trên bề mặt xúc tác là bước giới hạn tốc độ.
  • FeYO3 hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa phẩm nhuộm hữu cơ.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp theo bao gồm khảo sát tính ổn định, tái sử dụng vật liệu và ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển công nghệ xử lý nước thải xanh, bền vững, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các vật liệu xúc tác quang mới.