I. Vật liệu composite g C3N4 ZnS
Vật liệu composite g-C3N4/ZnS là một trong những vật liệu tiên tiến được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang. Sự kết hợp giữa g-C3N4 và ZnS tạo ra một vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả, đồng thời giảm thiểu sự tái kết hợp của cặp electron-lỗ trống quang sinh. g-C3N4 là một chất bán dẫn phi kim loại với vùng cấm hẹp (~2.7 eV), trong khi ZnS có vùng cấm rộng (~3.7 eV). Sự kết hợp này giúp cải thiện hiệu suất quang xúc tác của vật liệu trong điều kiện ánh sáng khả kiến.
1.1. Cấu trúc và tính chất của g C3N4
g-C3N4 có cấu trúc dạng lớp, tương tự như graphit, với các vòng triazine liên kết với nhau. Vật liệu này có tính ổn định nhiệt và hóa học cao, đồng thời có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến nhờ vùng cấm hẹp. Tuy nhiên, g-C3N4 có nhược điểm là tốc độ tái kết hợp electron-lỗ trống cao, làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Để khắc phục, g-C3N4 thường được kết hợp với các vật liệu khác như ZnS để tạo thành vật liệu composite có tính năng xúc tác tốt hơn.
1.2. Đặc điểm của ZnS
ZnS là một chất bán dẫn có vùng cấm rộng (~3.7 eV), chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, ZnS có tính ổn định nhiệt tốt và độc tính thấp, phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng quang xúc tác. Khi kết hợp với g-C3N4, ZnS giúp mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu composite vào vùng ánh sáng khả kiến, đồng thời giảm thiểu sự tái kết hợp của cặp electron-lỗ trống.
II. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite
Quá trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnS được thực hiện thông qua phương pháp nung pha rắn. g-C3N4 được tổng hợp từ melamine, trong khi ZnS được điều chế từ zinc acetate và thiourea. Hai vật liệu này sau đó được kết hợp theo tỷ lệ nhất định để tạo thành vật liệu composite. Phương pháp này đảm bảo sự đồng nhất và ổn định của vật liệu, đồng thời tối ưu hóa tính năng xúc tác quang của composite.
2.1. Phương pháp tổng hợp g C3N4
g-C3N4 được tổng hợp bằng cách nung melamine ở nhiệt độ cao (500-600°C) trong môi trường khí trơ. Quá trình này tạo ra một vật liệu có cấu trúc lớp và tính chất bán dẫn phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác. g-C3N4 tổng hợp được đặc trưng bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (IR) và hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định cấu trúc và hình thái bề mặt.
2.2. Phương pháp tổng hợp ZnS
ZnS được tổng hợp từ zinc acetate và thiourea thông qua phương pháp thủy nhiệt hoặc đồng kết tủa. Vật liệu thu được có kích thước nano và cấu trúc tinh thể đồng nhất. ZnS được đặc trưng bằng các phương pháp như XRD, SEM và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần và cấu trúc tinh thể.
III. Ứng dụng trong xúc tác quang
Vật liệu composite g-C3N4/ZnS được ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Vật liệu này có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như methylene blue (MB) trong nước thải. Hiệu suất quang xúc tác của composite được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy MB dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy, vật liệu composite có hiệu suất phân hủy cao hơn so với g-C3N4 và ZnS riêng lẻ, nhờ sự kết hợp tối ưu giữa hai vật liệu này.
3.1. Cơ chế quang xúc tác
Cơ chế quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/ZnS dựa trên sự hấp thụ ánh sáng khả kiến, tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các electron quang sinh di chuyển từ vùng hóa trị của g-C3N4 sang vùng dẫn của ZnS, trong khi các lỗ trống quang sinh tham gia vào quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ. Sự kết hợp này giúp giảm thiểu sự tái kết hợp của cặp electron-lỗ trống, tăng cường hiệu suất quang xúc tác.
3.2. Ứng dụng thực tế
Vật liệu composite g-C3N4/ZnS có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là các ngành dệt nhuộm và dược phẩm. Vật liệu này có thể phân hủy các chất hữu cơ độc hại thành các sản phẩm vô cơ ít độc hơn, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.
