NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU CARBON NANO TỪ VỎ CAM BỞI g-C3N4 ỨNG DỤNG PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Vật liệu carbon nano đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến môi trường. Chúng có các tính chất độc đáo, như diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho xúc tác quang. Các loại vật liệu carbon nano phổ biến bao gồm graphene, ống nano carbon và fullerene. Gần đây, g-C3N4 (graphitic carbon nitride), một polyme bán dẫn không kim loại, đã thu hút sự chú ý lớn nhờ tính ổn định hóa học cao, chi phí thấp và khả năng điều chế dễ dàng. Tuy nhiên, g-C3N4 nguyên chất có diện tích bề mặt riêng nhỏ và hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời còn hạn chế.

Vỏ cam, một phế phẩm nông nghiệp dồi dào, chứa nhiều cellulose, pectin và lignin. Thay vì thải bỏ, vỏ cam có thể được chuyển hóa thành than hoạt tính hoặc vật liệu carbon nano thông qua các quy trình nhiệt phân. Việc sử dụng vỏ cam không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm do chất thải nông nghiệp mà còn cung cấp một nguồn carbon tái tạo, thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu cho thấy carbon nano tổng hợp từ vỏ cam có tiềm năng lớn trong ứng dụng xúc tác quang, đặc biệt là trong việc phân hủy chất hữu cơ trong nước. Theo nghiên cứu của Kim Thị Thu Hoà, việc tận dụng vỏ cam có thể giảm chi phí xử lý chất thải và tạo ra vật liệu có giá trị cao.

Chất hữu cơ trong nước có thể gây ra nhiều vấn đề, bao gồm suy giảm oxy hòa tan, tạo mùi khó chịu và hình thành các sản phẩm phụ độc hại trong quá trình khử trùng nước. Một số chất hữu cơ, như thuốc nhuộm rhodamine B (RhB), có thể gây ung thư và ảnh hưởng đến hệ thần kinh. Việc kiểm soát và loại bỏ chất hữu cơ là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng nước cho sinh hoạt và sản xuất. Hơn nữa, sự tích tụ của các chất ô nhiễm này làm gia tăng chi phí cho việc duy trì và cải thiện hệ thống xử lý nước thải, đòi hỏi những giải pháp bền vững và chi phí hiệu quả.

Rhodamine B (RhB) là một loại thuốc nhuộm phổ biến được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm dệt may, giấy và mỹ phẩm. Tuy nhiên, RhB là một chất ô nhiễm độc hại và có thể gây ung thư. Sự hiện diện của RhB trong nước thải là một mối lo ngại lớn, và việc loại bỏ RhB hiệu quả là một thách thức quan trọng. RhB có cấu trúc phức tạp và bền vững, gây khó khăn cho các phương pháp xử lý truyền thống. Vì vậy, các phương pháp tiên tiến như quang xúc tác được ưu tiên để phân hủy hoàn toàn RhB thành các sản phẩm vô hại.

Quy trình tổng hợp carbon nano từ vỏ cam bắt đầu bằng việc rửa sạch và phơi khô vỏ cam để loại bỏ tạp chất và độ ẩm. Sau đó, vỏ cam khô được nghiền nhỏ và nhiệt phân trong điều kiện kiểm soát, thường là trong môi trường trơ (ví dụ: nitơ) để tránh quá trình cháy. Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu và đặc tính của carbon tạo thành. Carbon thu được sau quá trình nhiệt phân có thể được hoạt hóa bằng các hóa chất hoặc khí để tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.

Để cải thiện hiệu suất quang xúc tác của g-C3N4, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp biến tính. Một trong những phương pháp phổ biến là tạo vật liệu composite bằng cách kết hợp g-C3N4 với các vật liệu khác, như kim loại, oxit kim loại hoặc vật liệu carbon. Việc tạo cấu trúc composite giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, giảm tái hợp electron-lỗ trống và cải thiện khả năng vận chuyển điện tích. Ngoài ra, pha tạp g-C3N4 với các nguyên tố khác cũng có thể điều chỉnh đặc tính điện tử và tăng cường hoạt tính xúc tác.

Tổng hợp vật liệu composite OC/CN (carbon từ vỏ cam/g-C3N4) thường bao gồm các bước kết hợp vật liệu carbon nano từ vỏ cam với g-C3N4. Một phương pháp phổ biến là phương pháp thủy nhiệt, trong đó hỗn hợp carbon và g-C3N4 được đun nóng trong dung dịch ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp này cho phép các thành phần tương tác với nhau, tạo ra cấu trúc composite đồng nhất. Sau quá trình thủy nhiệt, vật liệu được rửa sạch, sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để tăng cường tính ổn định.

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của vật liệu composite OC/CN trong việc phân hủy RhB. Các kết quả cho thấy OC/CN có khả năng phân hủy RhB nhanh chóng và hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Hiệu quả phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỷ lệ OC/CN, cường độ ánh sáng, pH và nồng độ RhB. Các nghiên cứu cũng đã khám phá cơ chế phản ứng và xác định các sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy RhB.

Các yếu tố thực nghiệm, như lượng xúc tác, nồng độ H2O2 và pH, có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quang xúc tác của vật liệu composite OC/CN. Tăng lượng xúc tác thường làm tăng tốc độ phân hủy, nhưng đến một ngưỡng nhất định, hiệu quả có thể giảm do hiện tượng che chắn ánh sáng. Nồng độ H2O2 tối ưu có thể tăng cường quá trình oxy hóa, nhưng nồng độ quá cao có thể làm giảm hiệu quả do cạnh tranh hấp thụ ánh sáng. pH dung dịch ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của xúc tác và sự hấp phụ của chất ô nhiễm, do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính bền vững của vật liệu xúc tác. Các nghiên cứu đã kiểm tra khả năng tái sử dụng của OC/CN bằng cách lặp lại quá trình phân hủy RhB nhiều lần. Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy có thể giảm sau một số chu kỳ, do sự mất hoạt tính bề mặt hoặc tắc nghẽn lỗ rỗng. Tuy nhiên, OC/CN vẫn duy trì hoạt tính đáng kể sau nhiều lần tái sử dụng, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu composite OC/CN. Một hướng đi tiềm năng là tạo cấu trúc vật liệu nano phức tạp hơn, như cấu trúc lõi-vỏ hoặc cấu trúc đa lớp. Ngoài ra, việc nghiên cứu cơ chế phản ứng chi tiết hơn và xác định các yếu tố giới hạn hiệu suất sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xúc tác quang.