I. Giới thiệu về vật liệu nano ZnO
Vật liệu nano ZnO là một trong những chất bán dẫn quan trọng, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực quang xúc tác. ZnO có cấu trúc tinh thể dạng hexagonal wurtzite, với năng lượng vùng cấm khoảng 3,27 eV, cho phép nó hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím. Tuy nhiên, việc sử dụng ZnO trong các ứng dụng thực tế bị hạn chế do năng lượng vùng cấm lớn, dẫn đến việc cần thiết phải pha tạp để cải thiện tính chất quang học. Việc pha tạp các nguyên tố như Mn, Ce, và C vào cấu trúc ZnO không chỉ giúp giảm năng lượng vùng cấm mà còn tăng cường khả năng quang xúc tác của vật liệu. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp này có thể làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác trong các phản ứng phân hủy chất hữu cơ độc hại.
1.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu nano ZnO
Nghiên cứu về vật liệu nano ZnO đã được thực hiện từ nhiều năm qua, với nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau như phương pháp thủy nhiệt và phương pháp đốt cháy. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc pha tạp các nguyên tố như Mn và Ce có thể cải thiện đáng kể tính chất quang xúc tác của ZnO. Đặc biệt, các vật liệu ZnO pha tạp cho thấy khả năng phân hủy các chất nhuộm độc hại trong nước, như xanh metylen, dưới ánh sáng khả kiến. Điều này mở ra nhiều triển vọng cho việc ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong ngành dệt nhuộm, nơi mà ô nhiễm nước là một vấn đề nghiêm trọng.
II. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp
Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp được thực hiện chủ yếu qua hai phương pháp chính: phương pháp đốt cháy và phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp đốt cháy cho phép tạo ra các vật liệu với kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều, trong khi phương pháp thủy nhiệt giúp kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các cấu trúc tinh thể ổn định hơn. Việc pha tạp Mn, Ce, và C vào ZnO được thực hiện trong quá trình tổng hợp, nhằm cải thiện khả năng quang xúc tác của vật liệu. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh tỉ lệ pha tạp có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác trong các phản ứng phân hủy chất hữu cơ độc hại.
2.1. Tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp Mn và Ce
Tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp Mn và Ce được thực hiện bằng phương pháp đốt cháy và thủy nhiệt. Trong phương pháp đốt cháy, các tiền chất được trộn lẫn và nung ở nhiệt độ cao, tạo ra các hạt nano ZnO với kích thước nhỏ và tính chất quang học tốt. Ngược lại, phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn, giúp duy trì tính chất của các nguyên tố pha tạp. Kết quả cho thấy, vật liệu ZnO pha tạp Mn có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với ZnO nguyên chất, nhờ vào sự hình thành các mức năng lượng mới trong cấu trúc của nó. Điều này làm tăng khả năng quang xúc tác của vật liệu trong các phản ứng phân hủy chất hữu cơ độc hại.
III. Đánh giá khả năng quang oxi hóa của vật liệu
Khả năng quang oxi hóa của vật liệu nano ZnO pha tạp được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy xanh metylen dưới ánh sáng khả kiến. Các thí nghiệm cho thấy, vật liệu ZnO pha tạp Mn và Ce có hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với ZnO nguyên chất. Điều này chứng tỏ rằng việc pha tạp không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn làm tăng khả năng tạo ra các gốc tự do, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy chất hữu cơ độc hại. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, điều kiện pH và nồng độ xúc tác có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất quang xúc tác, cần được tối ưu hóa để đạt được kết quả tốt nhất trong ứng dụng thực tế.
3.1. Phản ứng quang xúc tác phân hủy MB
Phản ứng quang xúc tác phân hủy xanh metylen (MB) được thực hiện dưới ánh sáng khả kiến với sự hiện diện của vật liệu nano ZnO pha tạp. Kết quả cho thấy, vật liệu C,Ce-ZnO có hiệu suất phân hủy cao nhất, nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và sự hình thành các gốc tự do mạnh mẽ trong quá trình quang xúc tác. Động học phản ứng cũng được nghiên cứu, cho thấy rằng phản ứng tuân theo định luật bậc nhất, với hằng số tốc độ phản ứng cao hơn so với các vật liệu khác. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano ZnO pha tạp trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong ngành dệt nhuộm, nơi mà ô nhiễm nước là một vấn đề nghiêm trọng.
