Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 ứng dụng xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ trong nước

• Tác giả: Nguyễn Chí Công
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Diệu Cẩm
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 làm chất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm nước
• Loại tài liệu: luận văn
• Địa điểm: Quy Nhơn

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc luận văn
• 2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn
• 2.2. Lý thuyết xúc tác quang xảy ra trên vật liệu bán dẫn
• 2.2.1. Khái niệm xúc tác quang
• 2.2.2. Cơ chế xúc tác quang
• 2.2.3. Mô phỏng quá trình xúc tác quang
• 3. THỰC NGHIỆM
• 3.1. Hóa chất và dụng cụ
• 3.2. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang
• 3.2.1. Tổng hợp vật liệu InVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.2.2. Tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 3.2.3. Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4
• 3.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.3.4. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy)
• 3.3.5. Phương pháp phổ năng lượng tia X hay EDS (Energy Dispersive X-ray)
• 3.4. Các phương pháp xác định chất hữu cơ
• 3.4.1. Phân tích định lượng tetracycline hydrochloride
• 3.4.2. Phương pháp xác định CODCr
• 3.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.5.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.5.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổng hợp
• 3.5.3. Động học quang xúc tác
• 3.5.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.5.5. Ứng dụng phản ứng xúc tác quang để xử lý nước thải nuôi tôm
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc trưng và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu InVO4
• 4.1.1. Đặc trưng vật liệu InVO4
• 4.1.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu InVO4
• 4.2. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/InVO4 và khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 4.2.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/InVO4
• 4.2.2. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu g-C3N4/InVO4 ở các tỉ lệ khối lượng tiền chất khác nhau
• 4.2.3. Động học phản ứng quang xúc tác phân hủy TC trên vật liệu composite g-C3N4/InVO4
• 4.3. Đặc trưng vật liệu CI-10
• 4.3.1. Ảnh hưởng của nguồn sáng và pH đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu CI-10
• 4.3.1.1. Ảnh hưởng của nguồn sáng
• 4.3.1.2. Ảnh hưởng của pH
• 4.3.2. Ảnh hưởng của chất dập tắt gốc tự do
• 4.3.3. Ứng dụng vật liệu CI-10 để xử lý nước thải nuôi tôm
• 4.3.4. Tái sử dụng chất xúc tác
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu composite g C3N4 InVO4

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 là một hệ vật liệu lai được tổng hợp từ hai thành phần chính là g-C3N4 và InVO4. g-C3N4 là một chất bán dẫn polyme hữu cơ có cấu trúc lớp tương tự graphen, với năng lượng vùng cấm khoảng 2.7 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. InVO4 là một chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 2.5 eV, cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khi kết hợp hai vật liệu này, vật liệu composite g-C3N4/InVO4 tạo ra hiệu ứng dẫn truyền electron và lỗ trống, giảm sự tái tổ hợp của các cặp electron-lỗ trống quang sinh, từ đó nâng cao hiệu quả quang phân hủy các chất hữu cơ.

1.1. Tổng hợp vật liệu composite

Quá trình tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được thực hiện bằng phương pháp nhiệt pha rắn có hỗ trợ siêu âm. g-C3N4 được tổng hợp từ urea qua quá trình nhiệt phân, trong khi InVO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất In(NO3)3.5H2O và NH4VO3. Hai vật liệu này sau đó được trộn theo tỷ lệ khối lượng nhất định và xử lý nhiệt để tạo thành vật liệu composite. Phương pháp này đảm bảo sự kết hợp đồng nhất giữa hai thành phần, tạo ra vật liệu có cấu trúc và tính chất quang xúc tác ưu việt.

1.2. Đặc trưng vật liệu

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được đặc trưng bằng các phương pháp hiện đại như 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 DRS). Các kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng nhất, diện tích bề mặt lớn, và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến. Đặc biệt, phổ quang phát quang (PL) cho thấy sự giảm đáng kể hiện tượng tái tổ hợp electron-lỗ trống, chứng tỏ hiệu quả của việc kết hợp hai vật liệu này.

II. Chất xúc tác quang và ứng dụng

Chất xúc tác quang g-C3N4/InVO4 được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong việc phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm nước. Dưới tác dụng của ánh sáng, vật liệu sinh ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh, tạo ra các gốc tự do HO• có khả năng oxi hóa mạnh các chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ vô hại. Hiệu quả quang xúc tác của vật liệu được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước.

2.1. Cơ chế quang xúc tác

Cơ chế quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/InVO4 bắt đầu bằng việc hấp thụ photon ánh sáng, kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các electron và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu và tương tác với các phân tử nước và oxy, tạo ra các gốc tự do HO•. Các gốc HO• này có khả năng oxi hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Quá trình này được mô tả bằng các phương trình hóa học chi tiết, cho thấy hiệu quả cao của vật liệu trong việc xử lý ô nhiễm nước.

2.2. Ứng dụng thực tế

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 được ứng dụng trong xử lý nước thải nuôi tôm, một trong những nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng. Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu có khả năng phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ trong nước thải, giảm đáng kể giá trị COD (nhu cầu oxy hóa học) sau thời gian xử lý. Vật liệu cũng có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không bị giảm hiệu quả, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

III. Kết quả và thảo luận

Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite g-C3N4/InVO4 có hoạt tính quang xúc tác cao hơn so với các vật liệu riêng lẻ. Hiệu quả phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride đạt trên 90% sau 180 phút dưới ánh sáng khả kiến. Các yếu tố như pH, nguồn sáng, và sự có mặt của chất dập tắt gốc tự do cũng được khảo sát, cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quang phân hủy.

3.1. Ảnh hưởng của pH

pH môi trường có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy, ở pH trung tính (khoảng 7), hiệu quả phân hủy đạt cao nhất. Ở pH quá cao hoặc quá thấp, hiệu quả giảm do sự thay đổi trạng thái ion hóa của chất hữu cơ và sự ổn định của các gốc tự do HO•.

3.2. Tái sử dụng vật liệu

Vật liệu composite g-C3N4/InVO4 có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không bị giảm hiệu quả đáng kể. Sau 5 lần sử dụng, hiệu quả phân hủy vẫn đạt trên 85%, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.