I. Tổng quan về vật liệu composite g C3N4 BiVO4
Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 là một trong những vật liệu tiên tiến được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang. g-C3N4 (graphit cacbon nitrua) và BiVO4 (bismuth orthovanadate) là hai chất bán dẫn có tiềm năng lớn trong việc phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước. g-C3N4 có cấu trúc lớp, diện tích bề mặt lớn và năng lượng vùng cấm hẹp (2.7 eV), trong khi BiVO4 có năng lượng vùng cấm khoảng 2.4 eV, bền hóa học và không độc hại. Tuy nhiên, cả hai vật liệu đều có nhược điểm là tốc độ tái kết hợp electron và lỗ trống cao, làm giảm hiệu quả quang phân hủy. Việc kết hợp hai vật liệu này thành vật liệu composite nhằm khắc phục nhược điểm và nâng cao hiệu suất xúc tác quang.
1.1. Đặc điểm của g C3N4
g-C3N4 là một chất bán dẫn hữu cơ không kim loại, có cấu trúc lớp tương tự graphene. Vật liệu này có nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, năng lượng vùng cấm hẹp (2.7 eV), và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có tốc độ tái kết hợp electron và lỗ trống nhanh, làm giảm hiệu quả quang phân hủy. Để khắc phục, các nghiên cứu đã tập trung vào việc pha tạp g-C3N4 với các chất bán dẫn khác như BiVO4, nhằm tăng cường hiệu suất xúc tác quang.
1.2. Đặc điểm của BiVO4
BiVO4 là một chất bán dẫn vô cơ có năng lượng vùng cấm khoảng 2.4 eV, phù hợp để hấp thụ ánh sáng khả kiến. Vật liệu này có ưu điểm là bền hóa học, không độc hại và giá thành thấp. Tuy nhiên, BiVO4 cũng có nhược điểm là tốc độ tái kết hợp electron và lỗ trống cao, làm giảm hiệu suất quang phân hủy. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc biến tính BiVO4 bằng cách kết hợp với các chất bán dẫn khác như g-C3N4 để tạo ra vật liệu composite có hiệu suất xúc tác quang cao hơn.
II. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn. BiVO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, trong khi g-C3N4 được tổng hợp từ urea bằng phương pháp nhiệt phân. Vật liệu composite được tạo ra bằng cách trộn lẫn hai vật liệu này và nung ở nhiệt độ cao. Các phương pháp đặc trưng vật liệu bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), và phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis). Các kết quả đặc trưng cho thấy vật liệu composite có cấu trúc tinh thể đồng nhất, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt.
2.1. Tổng hợp BiVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt
BiVO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất Bi(NO3)3.5H2O và NH4VO3. Phương pháp này có ưu điểm là chi phí thấp, tốc độ phản ứng cao và có thể điều khiển cấu trúc vật liệu. Các thông số thủy nhiệt như nhiệt độ, thời gian và pH được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng vật liệu. Kết quả XRD và SEM cho thấy BiVO4 có cấu trúc tinh thể đồng nhất và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang.
2.2. Tổng hợp g C3N4 từ urea
g-C3N4 được tổng hợp từ urea bằng phương pháp nhiệt phân. Urea được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ để tạo ra g-C3N4. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và cho ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn. Kết quả XRD và IR cho thấy g-C3N4 có cấu trúc lớp và các liên kết hóa học đặc trưng, phù hợp để kết hợp với BiVO4 tạo thành vật liệu composite.
III. Ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm
Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 được ứng dụng trong việc phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước, đặc biệt là kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC). Các thí nghiệm quang phân hủy được thực hiện dưới ánh sáng LED, với các điều kiện pH và thời gian phản ứng được kiểm soát. Kết quả cho thấy vật liệu composite có hiệu suất quang phân hủy cao hơn so với g-C3N4 và BiVO4 riêng lẻ. Ngoài ra, vật liệu này cũng được thử nghiệm trong việc xử lý nước thải nuôi tôm, cho thấy khả năng giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm.
3.1. Phân hủy tetracycline hydrochloride
Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 được sử dụng để phân hủy kháng sinh tetracycline hydrochloride (TC) trong dung dịch nước. Các thí nghiệm được thực hiện dưới ánh sáng LED, với thời gian phản ứng và pH được kiểm soát. Kết quả cho thấy hiệu suất quang phân hủy của vật liệu composite cao hơn so với g-C3N4 và BiVO4 riêng lẻ. Điều này chứng tỏ sự kết hợp giữa hai vật liệu đã cải thiện đáng kể hiệu suất xúc tác quang.
3.2. Xử lý nước thải nuôi tôm
Vật liệu composite g-C3N4/BiVO4 cũng được thử nghiệm trong việc xử lý nước thải nuôi tôm. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu composite trong việc xử lý ô nhiễm trong nước.
