Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước

• Tác giả: Đinh Thị Hồng Vân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Diệu Cẩm
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang
• 1.1.1. Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về vật liệu composite Ag3VO4 BiVO4

Vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 được nghiên cứu với mục tiêu ứng dụng trong xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước. Ag3VO4 là một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 2 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của nó bị hạn chế do tốc độ tái tổ hợp cặp electron - lỗ trống nhanh. Ngược lại, BiVO4 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,4 eV, cũng có khả năng hoạt động tốt dưới ánh sáng nhìn thấy nhưng cũng gặp phải vấn đề tương tự về tốc độ tái kết hợp. Việc kết hợp hai vật liệu này tạo ra một heterojunction photocatalyst có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao khả năng phân hủy các chất ô nhiễm mà còn mở ra hướng đi mới trong xử lý nước ô nhiễm.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite

Quá trình tổng hợp composite materials Ag3VO4/BiVO4 được thực hiện thông qua các phương pháp như thủy nhiệt, siêu âm và kết tủa. Phương pháp thủy nhiệt cho phép tạo ra các hạt có kích thước đồng đều và cấu trúc tinh thể tốt. Trong khi đó, phương pháp siêu âm giúp tăng cường sự phân tán của các thành phần trong dung dịch, từ đó cải thiện tính đồng nhất của vật liệu. Kết quả từ các phương pháp này cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỉ lệ khối lượng giữa Ag3VO4 và BiVO4 là rất quan trọng để đạt được hoạt tính quang xúc tác tối ưu. Các phương pháp đặc trưng như nhiễu xạ Rơnghen (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để xác định cấu trúc và hình thái của vật liệu tổng hợp.

III. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác

Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy Rhodamine B và tetracycline hydrochloride. Kết quả cho thấy rằng composite này có khả năng phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm hiệu quả hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Cơ chế quang xúc tác diễn ra thông qua sự hình thành các gốc tự do như HO• và O2•-, có khả năng oxi hóa mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ. Việc khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ cũng cho thấy rằng composite này có khả năng hấp phụ tốt, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy. Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu cũng cho thấy rằng hoạt tính quang xúc tác vẫn được duy trì qua nhiều chu kỳ sử dụng, điều này chứng tỏ tính khả thi của vật liệu trong ứng dụng thực tế.

IV. Đánh giá giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn quan trọng trong xử lý nước ô nhiễm. Với khả năng phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ ô nhiễm, vật liệu này có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc phát triển các nanocomposites như vậy có thể mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xúc tác quang và cải thiện môi trường. Sự kết hợp giữa Ag3VO4 và BiVO4 không chỉ nâng cao hiệu suất quang xúc tác mà còn tạo ra một mô hình nghiên cứu mới cho các vật liệu composite trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, đang trở thành thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng và sự phát triển bền vững. Theo ước tính, các hợp chất hữu cơ độc hại khó phân hủy trong môi trường nước góp phần làm tăng tỷ lệ mắc các bệnh mãn tính như viêm gan, viêm da và nguy cơ ung thư. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu xúc tác quang nhằm phân hủy các chất ô nhiễm này có ý nghĩa thiết thực và cấp bách. Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước, với mục tiêu nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp và đặc trưng vật liệu Ag3VO4, BiVO4 và composite Ag3VO4/BiVO4, khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B và tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn tổng hợp và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, sử dụng các phương pháp thủy nhiệt, kết tủa, siêu âm và khuấy trộn. Nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về cơ chế quang xúc tác của vật liệu composite, đồng thời đề xuất giải pháp xử lý ô nhiễm nước hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ xanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết xúc tác quang, trong đó ánh sáng kích thích tạo ra cặp electron (e⁻) và lỗ trống (h⁺) trong vật liệu bán dẫn, dẫn đến quá trình oxi hóa-khử phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm. Hai vật liệu chính là Ag3VO4 và BiVO4 đều có năng lượng vùng cấm hẹp (khoảng 2 eV và 2,4 eV), cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả. Tuy nhiên, nhược điểm của Ag3VO4 là tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống nhanh, còn BiVO4 có thế vùng dẫn không phù hợp, làm giảm hiệu suất quang xúc tác.

Mô hình composite Ag3VO4/BiVO4 được xây dựng dựa trên nguyên lý ghép nối các vật liệu bán dẫn nhằm giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng cường chuyển giao điện tử và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng. Các khái niệm chính bao gồm: vùng hóa trị (VB), vùng dẫn (CB), năng lượng vùng cấm (Eg), gốc tự do hydroxyl (•OH), gốc superoxide (•O2⁻), và cơ chế quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn. Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp gồm các tỷ lệ khối lượng Ag3VO4/BiVO4 khác nhau (1:0.5; 1:1; 1:2; 1:3). Phương pháp chọn mẫu là tổng hợp thủy nhiệt, kết tủa và siêu âm nhằm đảm bảo kích thước hạt nhỏ, đồng đều và độ tinh khiết cao.

Phân tích vật liệu sử dụng các kỹ thuật hóa lý hiện đại: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố, phổ hồng ngoại (IR) nhận diện liên kết hóa học, phổ UV-Vis khuếch tán (DRS) xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm. Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua phản ứng phân hủy Rhodamine B và tetracycline hydrochloride dưới ánh sáng đèn LED 30W, xử lý số liệu bằng phương pháp chuẩn và mô hình động học Langmuir-Hinshelwood.

Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm tổng hợp vật liệu, đặc trưng, thử nghiệm hoạt tính và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4: Các mẫu composite với tỷ lệ Ag3VO4/BiVO4 khác nhau cho thấy cấu trúc tinh thể đơn pha, đồng nhất với kích thước hạt trung bình khoảng 50-100 nm. Phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm giảm xuống còn khoảng 2,1 eV ở mẫu AB-12 (tỷ lệ 1:2), mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.

2. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B: Mẫu composite AB-12 đạt hiệu suất phân hủy Rhodamine B lên đến 97% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn 35% so với BiVO4 đơn lẻ và 28% so với Ag3VO4 đơn lẻ. Hằng số tốc độ phản ứng quang xúc tác của AB-12 là 0,023 min⁻¹, gấp 1,8 lần BiVO4 và 2,1 lần Ag3VO4.

3. Phân hủy tetracycline hydrochloride: Composite AB-12 cũng thể hiện khả năng phân hủy tetracycline hydrochloride hiệu quả với tỷ lệ loại bỏ khoảng 85% sau 150 phút, vượt trội so với các vật liệu đơn pha. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong xử lý các chất kháng sinh ô nhiễm.

4. Khả năng tái sử dụng: Vật liệu composite AB-12 duy trì hiệu suất phân hủy Rhodamine B trên 90% sau 3 chu kỳ sử dụng, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sinh cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất quang xúc tác là do sự ghép nối giữa Ag3VO4 và BiVO4 tạo ra hiệu ứng phân tách điện tử hiệu quả, giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống. Cấu trúc composite giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng ánh sáng. So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu đơn lẻ hoặc composite khác, kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của Ag3VO4/BiVO4 trong xử lý ô nhiễm nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ động học phân hủy Rhodamine B, biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy giữa các mẫu, và bảng tổng hợp hằng số tốc độ phản ứng. Ngoài ra, ảnh SEM và phổ XRD minh họa rõ cấu trúc và hình thái vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến khích các nhà máy sử dụng vật liệu composite này để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước. Thời gian triển khai dự kiến trong 1-2 năm.

2. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu quy mô lớn: Đề xuất nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp thủy nhiệt và siêu âm để sản xuất vật liệu composite với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng đồng đều. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

3. Nâng cao hiệu quả tái sử dụng và thu hồi vật liệu: Khuyến nghị nghiên cứu thêm về phương pháp thu hồi vật liệu composite sau sử dụng, như kết hợp với vật liệu từ tính để dễ dàng tách lọc, giảm chi phí vận hành.

4. Mở rộng khảo sát ứng dụng với các chất ô nhiễm khác: Đề xuất thử nghiệm phân hủy các loại thuốc trừ sâu, chất kháng sinh khác và hợp chất hữu cơ phức tạp trong môi trường nước thực tế để đánh giá tính khả thi và hiệu quả thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác quang, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp công nghệ xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 trong quy trình xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, hướng dẫn công nghệ xử lý ô nhiễm nước phù hợp với xu hướng công nghệ xanh.

4. Nhà sản xuất vật liệu xúc tác quang: Tham khảo quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường ứng dụng trong lĩnh vực môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 có ưu điểm gì so với vật liệu đơn lẻ?
   Composite giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến, nâng cao hiệu suất quang xúc tác phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite được thực hiện như thế nào?
   Sử dụng kết hợp phương pháp thủy nhiệt, siêu âm và khuấy trộn để tạo ra vật liệu đồng nhất, kích thước hạt nhỏ và độ tinh khiết cao, đảm bảo hiệu quả quang xúc tác.

3. Hiệu suất phân hủy Rhodamine B của vật liệu composite đạt bao nhiêu?
   Mẫu composite AB-12 đạt hiệu suất phân hủy lên đến 97% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ.

4. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
   Vật liệu composite duy trì trên 90% hiệu suất phân hủy Rhodamine B sau 3 chu kỳ sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sinh cao.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý các chất ô nhiễm khác không?
   Có, vật liệu đã được thử nghiệm với tetracycline hydrochloride và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi với nhiều hợp chất hữu cơ độc hại khác trong môi trường nước.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 với cấu trúc tinh thể đồng nhất, kích thước hạt nano và năng lượng vùng cấm phù hợp (~2,1 eV).
• Vật liệu composite thể hiện hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B và tetracycline hydrochloride vượt trội so với vật liệu đơn lẻ, với hiệu suất phân hủy Rhodamine B đạt 97% sau 120 phút.
• Cơ chế quang xúc tác được cải thiện nhờ giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
• Vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, duy trì hiệu suất trên 90% sau nhiều chu kỳ, phù hợp ứng dụng thực tiễn.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô tổng hợp, ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp và phát triển công nghệ thu hồi vật liệu.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu ứng dụng thực tế tại các nguồn nước ô nhiễm, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác để phát huy tối đa tiềm năng của vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 trong xử lý ô nhiễm môi trường.