Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do các hợp chất hữu cơ độc hại từ hoạt động sinh hoạt và sản xuất đang là thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, các chất hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc kháng sinh và các hợp chất khó phân hủy tồn tại trong nước thải với nồng độ đáng kể, gây ô nhiễm nguồn nước. Phương pháp quang xúc tác bán dẫn được xem là giải pháp tiềm năng để xử lý các chất ô nhiễm này nhờ khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ dưới tác động của ánh sáng và oxy không khí. Tuy nhiên, các vật liệu xúc tác quang truyền thống như ZnS có năng lượng vùng cấm rộng (khoảng 3,7 eV) chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, chiếm tỷ lệ nhỏ trong phổ ánh sáng mặt trời, đồng thời gặp phải vấn đề tái kết hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống quang sinh làm giảm hiệu suất xúc tác.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnS nhằm khắc phục các hạn chế trên, mở rộng hoạt tính xúc tác quang vào vùng ánh sáng khả kiến. Vật liệu g-C3N4 có năng lượng vùng cấm nhỏ (khoảng 2,7 eV), ổn định về nhiệt và hóa học, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt nhưng cũng gặp vấn đề tái tổ hợp điện tử. Việc kết hợp g-C3N4 với ZnS tạo ra composite có khả năng tăng hiệu suất phân tách cặp electron - lỗ trống, nâng cao hoạt tính xúc tác quang.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp và khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composite g-C3N4/ZnS tổng hợp từ melamine, zinc acetate và thiourea, với các tỷ lệ thành phần khác nhau, trong điều kiện ánh sáng khả kiến tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn năm 2019. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước và sản xuất năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vùng năng lượng trong vật liệu bán dẫn: Mô tả cấu trúc vùng hóa trị (VB), vùng dẫn (CB) và vùng cấm (Eg). Khi photon có năng lượng lớn hơn Eg kích thích electron từ VB lên CB tạo ra cặp electron quang sinh (e-CB) và lỗ trống quang sinh (h+VB), dẫn đến các phản ứng oxi hóa - khử trên bề mặt vật liệu xúc tác.

  • Cơ chế xúc tác quang: Electron quang sinh và lỗ trống quang sinh tham gia vào quá trình tạo gốc tự do hydroxyl (•OH) và các gốc oxy hóa khác, phân hủy các hợp chất hữu cơ. Quá trình tái kết hợp cặp e-/h+ làm giảm hiệu suất xúc tác, do đó cần cải thiện khả năng phân tách điện tích.

  • Mô hình composite vật liệu bán dẫn: Kết hợp g-C3N4 và ZnS nhằm giảm năng lượng vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hạn chế tái kết hợp điện tử, nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

  • Khái niệm và đặc điểm vật liệu g-C3N4 và ZnS: g-C3N4 là vật liệu bán dẫn phi kim có bandgap khoảng 2,7 eV, ổn định nhiệt và hóa học, tổng hợp từ melamine. ZnS là sulfide kim loại với bandgap rộng 3,7 eV, hoạt động chủ yếu dưới ánh sáng tử ngoại, tổng hợp từ zinc acetate và thiourea.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu g-C3N4, ZnS và composite g-C3N4/ZnS được tổng hợp trong phòng thí nghiệm từ các hóa chất melamine, zinc acetate và thiourea. Các mẫu composite được điều chế với tỷ lệ mol ZnS:g-C3N4 lần lượt là 68%, 74% và 81%.

  • Phương pháp tổng hợp: Sử dụng phương pháp nung pha rắn, nghiền mịn hỗn hợp tiền chất, nung ở nhiệt độ 500-520 °C trong 4 giờ, sau đó làm nguội tự nhiên và nghiền mịn thu vật liệu.

  • Phương pháp đặc trưng vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
    • Phổ UV-Vis trạng thái rắn để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.
    • Phổ hồng ngoại (IR) để xác định các liên kết hóa học.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

  • Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang: Đánh giá khả năng phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến từ đèn sợi tóc 220V-100W trong thời gian 7 giờ. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp UV-Vis, tính toán mức độ phân hủy theo công thức:

$$ \text{Phân hủy} = \frac{C_0 - C_t}{C_0} \times 100% $$

với $C_0$ là nồng độ ban đầu, $C_t$ là nồng độ tại thời điểm $t$.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu, đặc trưng và đánh giá hoạt tính xúc tác được thực hiện trong năm 2019 tại Trường Đại học Quy Nhơn và các phòng thí nghiệm liên kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc và thành phần vật liệu:

    • XRD cho thấy ZnS có cấu trúc tinh thể lập phương sphalerite với kích thước hạt nano khoảng 41 nm.
    • Composite g-C3N4/ZnS thể hiện các đỉnh đặc trưng của cả g-C3N4 và ZnS, chứng tỏ sự kết hợp thành công.
    • EDX xác nhận thành phần nguyên tố phù hợp với tỷ lệ tổng hợp, Zn chiếm khoảng 68-81% khối lượng trong composite.

  2. Khả năng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm:

    • Phổ UV-Vis cho thấy ZnS hấp thụ chủ yếu vùng tử ngoại (200-380 nm).
    • Composite g-C3N4/ZnS mở rộng vùng hấp thụ đến 380-800 nm, tương ứng với ánh sáng khả kiến.
    • Năng lượng vùng cấm của composite giảm so với ZnS tinh khiết, khoảng 2,7 eV, phù hợp với vùng ánh sáng khả kiến.

  3. Hoạt tính xúc tác quang phân hủy MB:

    • Composite g-C3N4/ZnS-74% phân hủy khoảng 90% MB sau 7 giờ chiếu sáng, cao hơn đáng kể so với ZnS (khoảng 50%) và g-C3N4 (khoảng 30%).
    • Tỷ lệ phân hủy MB tăng theo tỷ lệ ZnS trong composite đến mức tối ưu 74%, sau đó giảm nhẹ ở 81%.
    • Tốc độ phân hủy MB theo mô hình Langmuir-Hinshelwood cho thấy hằng số tốc độ k của composite gấp gần 3 lần ZnS và gấp 2 lần g-C3N4.

  4. Ảnh hưởng các yếu tố thực nghiệm:

    • Nồng độ ban đầu MB tăng từ 10 mg/L lên 30 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy do bão hòa hấp phụ.
    • Cường độ nguồn sáng tăng từ 60W lên 100W làm tăng hiệu suất phân hủy MB lên khoảng 25%.
    • pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt, pH tối ưu khoảng 7-9, phù hợp với điểm điện tích không pHPZC của composite.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác quang của composite g-C3N4/ZnS vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ nhờ sự kết hợp giữa vùng cấm hẹp của g-C3N4 và tính ổn định, khả năng chuyển động điện tử cao của ZnS. Sự phân tách hiệu quả cặp electron - lỗ trống được cải thiện, giảm thiểu tái kết hợp, làm tăng số lượng gốc tự do hydroxyl tham gia phân hủy MB. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, trong đó composite ZnS/g-C3N4 cho hiệu suất phân hủy chất nhuộm RhB cao hơn gấp 2-3 lần so với vật liệu đơn lẻ.

Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ MB theo thời gian cho thấy đường cong phân hủy của composite có độ dốc lớn hơn, minh chứng cho tốc độ phản ứng nhanh hơn. Bảng so sánh hằng số tốc độ k cũng làm rõ ưu thế của composite. Ngoài ra, ảnh SEM cho thấy bề mặt composite có cấu trúc xốp, tăng diện tích bề mặt hấp phụ, hỗ trợ quá trình xúc tác.

Việc khảo sát các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng và pH giúp xác định điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế. Kết quả cho thấy composite g-C3N4/ZnS có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ độc hại dưới ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu composite: Áp dụng phương pháp nung pha rắn với tỷ lệ ZnS khoảng 74% để đạt hiệu suất xúc tác cao nhất. Thời gian nung và nhiệt độ cần được kiểm soát nghiêm ngặt trong khoảng 500-520 °C, thời gian 4 giờ nhằm đảm bảo cấu trúc nano và phân bố đồng đều.

  2. Phát triển quy mô sản xuất công nghiệp: Nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnS với công suất lớn, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và viện nghiên cứu trong vòng 2-3 năm tới.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt: Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm, chất hữu cơ độc hại tại các nhà máy dệt nhuộm, chế biến thực phẩm với hệ thống chiếu sáng khả kiến. Mục tiêu giảm nồng độ chất ô nhiễm ít nhất 80% trong vòng 7 giờ xử lý.

  4. Nâng cao hiệu quả xúc tác qua biến tính vật liệu: Khuyến khích nghiên cứu pha tạp kim loại hoặc kết hợp với các vật liệu bán dẫn khác để tăng cường khả năng phân tách điện tử, mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, chủ yếu tại các trung tâm nghiên cứu hóa học vật liệu.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite cho cán bộ kỹ thuật, nhà quản lý môi trường nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và viện nghiên cứu trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/ZnS, phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng vật liệu xúc tác quang trong xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy, nâng cao hiệu quả xử lý bằng công nghệ quang xúc tác.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và công nghệ môi trường: Tài liệu hữu ích cho việc phát triển sản phẩm vật liệu composite xúc tác quang, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước và năng lượng sạch.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá tiềm năng công nghệ quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm, hỗ trợ xây dựng chính sách thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu composite g-C3N4/ZnS có ưu điểm gì so với vật liệu đơn lẻ?
    Composite kết hợp ưu điểm của g-C3N4 (bandgap nhỏ, hấp thụ ánh sáng khả kiến) và ZnS (ổn định, chuyển động điện tử tốt), giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ.

  2. Phương pháp tổng hợp nung pha rắn có ưu điểm gì?
    Phương pháp đơn giản, chi phí thấp, dễ kiểm soát kích thước hạt và thành phần, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và có tiềm năng mở rộng công nghiệp.

  3. Tại sao hoạt tính xúc tác của composite giảm khi tỷ lệ ZnS vượt quá 74%?
    Khi ZnS chiếm tỷ lệ quá cao, sự phân tán g-C3N4 giảm, làm giảm hiệu quả phân tách điện tử và diện tích bề mặt xúc tác, dẫn đến giảm hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm.

  4. Ảnh hưởng của pH đến quá trình xúc tác quang như thế nào?
    pH ảnh hưởng đến điểm điện tích bề mặt vật liệu và trạng thái ion hóa của chất ô nhiễm, pH tối ưu khoảng 7-9 giúp tăng hấp phụ và tạo gốc tự do hiệu quả, nâng cao tốc độ phân hủy.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, vật liệu composite g-C3N4/ZnS hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, phù hợp cho xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng mặt trời hoặc đèn nhân tạo.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu composite g-C3N4/ZnS bằng phương pháp nung pha rắn với tỷ lệ ZnS tối ưu 74%, có cấu trúc nano đồng nhất và đặc trưng rõ ràng qua XRD, SEM, IR, EDX và UV-Vis.
  • Composite mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, giảm năng lượng vùng cấm xuống khoảng 2,7 eV, nâng cao hiệu suất xúc tác quang phân hủy methylene blue lên gần 90% sau 7 giờ.
  • Hoạt tính xúc tác của composite vượt trội so với vật liệu đơn lẻ ZnS và g-C3N4, nhờ khả năng phân tách hiệu quả cặp electron - lỗ trống, giảm tái kết hợp điện tử.
  • Các yếu tố như nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng và pH ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xúc tác, giúp xác định điều kiện tối ưu ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô sản xuất, ứng dụng xử lý nước thải và phát triển vật liệu composite biến tính nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác quang trong tương lai.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển công nghệ vật liệu composite g-C3N4/ZnS để ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất năng lượng sạch. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Trường Đại học Quy Nhơn.