Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang wo3 ag3vo4 r go ứng dụng xử lý kháng sinh trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3 Ag3VO4 R GO ứng dụng xử lý kháng sinh trong môi trường nước hiệu quả.

• Tác giả: Đinh Mỹ Ngọc Trâm
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thu Phương
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO ứng dụng xử lý kháng sinh trong môi trường nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XÚC TÁC QUANG
• 2.1.1. Khái niệm xúc tác quang
• 2.2. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 2.2.1. Giới thiệu vật liệu xúc tác quang đã nghiên cứu
• 2.2.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG WO3
• 2.2.2.1. Cấu trúc của WO3
• 2.2.2.2. Hoạt tính xúc tác của vật liệu WO3
• 2.2.3. GIỚI THIỆU VỀ SILVER VANADATE (Ag3VO4)
• 2.2.3.1. Cấu tạo Ag3VO4
• 2.2.3.2. Cơ chế xúc tác quang của Ag3VO4
• 2.2.4. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU R-GO
• 2.2.5. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG WO3/Ag3VO4/rGO
• 2.3. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT KHÁNG SINH AMOXICILLIN
• 2.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 3. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 3.1.1. Dụng cụ và thiết bị
• 3.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 3.2.1. Tổng hợp vật liệu WO3
• 3.2.2. Tổng hợp vật liệu Ag3VO4
• 3.2.3. Tổng hợp vật liệu r-GO
• 3.2.4. Tổng hợp vật liệu WO3/Ag3VO4
• 3.2.5. Tổng hợp vật liệu WO3/Ag3VO4/r-GO
• 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3.4. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis-DRS)
• 3.3.5. Phương pháp phổ quang phát quang (PL)
• 3.3.6. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 3.3.7. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM)
• 4. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG
• 4.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 4.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu
• 4.3. Phân tích định lượng amoxicillin
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU WO3 VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
• 5.1.1. Đặc trưng vật liệu WO3
• 5.1.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu WO3
• 5.2. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU COMPOSITE WO3/Ag3VO4 VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
• 5.2.1. Đặc trưng vật liệu composite WO3/Ag3VO4
• 5.2.2. Đặc trưng vật liệu composite WA-10
• 5.2.3. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite WO3/Ag3VO4
• 5.3. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU COMPOSITE WO3/Ag3VO4/r-GO VÀ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
• 5.3.1. Đặc trưng vật liệu composite WO3/Ag3VO4/r-GO
• 5.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composite WO3/Ag3VO4/r-GO
• 5.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT DẬP TẮT GỐC TỰ DO ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY AMX CỦA WA/rGO
• 5.5. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HOÀN NGUYÊN CỦA VẬT LIỆU WA/rGO
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang WO3 Ag3VO4 RGO

Vật liệu xúc tác quang WO3-Ag3VO4-RGO là một hệ vật liệu mới được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong việc xử lý kháng sinh trong nước. Hệ vật liệu này kết hợp giữa WO3, một chất xúc tác quang có năng lượng vùng cấm khoảng 2,8 eV, và Ag3VO4, một chất xúc tác quang có khả năng hoạt động tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Sự kết hợp này tạo ra một hệ xúc tác quang hiệu quả hơn nhờ vào khả năng chuyển giao electron giữa hai vật liệu, giúp giảm thiểu sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống quang sinh. RGO (Graphene oxide dạng khử) được thêm vào để tăng cường khả năng dẫn điện và diện tích bề mặt, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ vật liệu này có khả năng phân hủy các chất kháng sinh như amoxicillin trong môi trường nước, mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải.

1.1. Cấu trúc và tính chất của WO3

Cấu trúc của WO3 là dạng tinh thể với các đặc tính quang học nổi bật. Vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, tạo ra electron và lỗ trống khi được kích thích bởi ánh sáng. Tính chất xúc tác quang của WO3 được cải thiện khi kết hợp với Ag3VO4, nhờ vào sự chuyển giao electron giữa hai vật liệu. Điều này giúp tăng cường khả năng oxi hóa và khử, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng WO3 có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện ánh sáng tự nhiên, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng xử lý nước thải.

1.2. Tính chất và cơ chế hoạt động của Ag3VO4

Ag3VO4 là một vật liệu xúc tác quang có năng lượng vùng cấm hẹp, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Cơ chế xúc tác quang của Ag3VO4 liên quan đến việc tạo ra các gốc tự do như •OH và •O2-, những tác nhân chính trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. Khi kết hợp với WO3, Ag3VO4 không chỉ tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn cải thiện khả năng chuyển giao electron, giúp giảm thiểu sự tái tổ hợp và nâng cao hiệu suất xúc tác. Nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp này có thể tạo ra một hệ xúc tác quang hiệu quả hơn trong việc xử lý các chất kháng sinh trong nước.

1.3. Vai trò của RGO trong hệ xúc tác

RGO đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của hệ vật liệu xúc tác quang WO3-Ag3VO4. Với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, RGO giúp tăng cường khả năng chuyển giao electron giữa WO3 và Ag3VO4. Điều này không chỉ làm giảm sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống mà còn tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất kháng sinh trong nước. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm RGO vào hệ vật liệu xúc tác có thể cải thiện đáng kể khả năng xử lý ô nhiễm trong môi trường nước.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thực nghiệm hiện đại để tổng hợp và đánh giá hoạt tính xúc tác quang của hệ vật liệu WO3-Ag3VO4-RGO. Các vật liệu được tổng hợp từ các tiền chất như AgNO3, Na2WO4, Na3VO4 và graphite. Phương pháp tổng hợp bao gồm các bước như trộn, nung và khử để tạo ra vật liệu composite. Sau khi tổng hợp, các vật liệu 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. Đặc biệt, phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis-DRS) được sử dụng để xác định vùng hấp thụ bức xạ và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Các thí nghiệm về hoạt tính xúc tác quang được thực hiện trong điều kiện ánh sáng kích thích, nhằm đánh giá khả năng phân hủy chất kháng sinh trong nước.

2.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang

Quá trình tổng hợp vật liệu WO3-Ag3VO4-RGO được thực hiện thông qua các bước cụ thể. Đầu tiên, các tiền chất được hòa tan và trộn đều trong dung môi thích hợp. Sau đó, hỗn hợp được nung ở nhiệt độ cao để tạo ra các pha tinh thể của WO3 và Ag3VO4. Cuối cùng, RGO được thêm vào trong quá trình khử để tạo ra vật liệu composite. Quá trình tổng hợp được tối ưu hóa để đảm bảo rằng các vật liệu thu được có cấu trúc và tính chất tốt nhất cho ứng dụng xúc tác quang. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ các thành phần có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác của vật liệu.

2.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang

Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu WO3-Ag3VO4-RGO được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy chất kháng sinh amoxicillin trong môi trường nước. Các thí nghiệm được thực hiện dưới ánh sáng kích thích từ đèn compact, với các điều kiện khác nhau như nồng độ chất kháng sinh, thời gian phản ứng và sự hiện diện của các chất dập tắt. Kết quả cho thấy rằng hệ vật liệu này có khả năng phân hủy amoxicillin hiệu quả, với tỷ lệ phân hủy cao trong thời gian ngắn. Phân tích định lượng được thực hiện để xác định nồng độ amoxicillin còn lại sau phản ứng, từ đó đánh giá hiệu suất xúc tác quang của vật liệu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng có thể nâng cao đáng kể hiệu quả xử lý ô nhiễm trong nước.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ vật liệu xúc tác quang WO3-Ag3VO4-RGO có khả năng phân hủy các chất kháng sinh trong nước một cách hiệu quả. Các thí nghiệm cho thấy rằng hiệu suất phân hủy amoxicillin đạt được lên đến 90% trong điều kiện tối ưu. Sự kết hợp giữa WO3 và Ag3VO4 không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường khả năng chuyển giao electron, giúp giảm thiểu sự tái tổ hợp. RGO đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất xúc tác quang nhờ vào khả năng dẫn điện tốt và diện tích bề mặt lớn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như nồng độ chất kháng sinh, thời gian phản ứng và sự hiện diện của các chất dập tắt có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong xử lý nước thải chứa chất kháng sinh.

3.1. Phân tích hiệu suất phân hủy

Phân tích hiệu suất phân hủy amoxicillin cho thấy rằng hệ vật liệu WO3-Ag3VO4-RGO có khả năng xử lý ô nhiễm hiệu quả. Kết quả cho thấy rằng khi tăng cường ánh sáng kích thích, hiệu suất phân hủy tăng lên đáng kể. Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng nồng độ amoxicillin ban đầu có ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy, với nồng độ thấp cho hiệu suất cao hơn. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa nồng độ chất ô nhiễm là cần thiết để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình xử lý nước. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng việc sử dụng các chất dập tắt có thể làm giảm hiệu suất phân hủy, do đó cần phải cân nhắc khi thiết kế quy trình xử lý.

3.2. Đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn

Khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ vật liệu WO3-Ag3VO4-RGO trong xử lý nước thải chứa chất kháng sinh là rất hứa hẹn. Với hiệu suất phân hủy cao và khả năng hoạt động dưới ánh sáng tự nhiên, hệ vật liệu này có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng việc kết hợp các vật liệu xúc tác quang thế hệ mới có thể mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các công nghệ xử lý nước hiệu quả hơn. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu để đánh giá tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu trong các điều kiện thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước do tồn dư các chất kháng sinh ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả và thân thiện với môi trường trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, amoxicillin (AMX) là một trong những loại kháng sinh phổ biến được phát hiện trong nước mặt, nước ngầm và thậm chí nước uống, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các công nghệ truyền thống như hấp phụ than hoạt tính, màng lọc, điện phân hay phương pháp oxi hóa tiên tiến (AOPs) đã được áp dụng nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về chi phí, hiệu quả và khả năng gây ô nhiễm thứ cấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO nhằm xử lý kháng sinh trong môi trường nước, đặc biệt là amoxicillin. Mục tiêu chính là phát triển hệ vật liệu xúc tác quang thế hệ mới có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, tăng hiệu suất phân hủy kháng sinh và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-lỗ trống quang sinh. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian thực hiện trong năm 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời bền vững để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững trong nước. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xúc tác quang hiện đại, trong đó:

• Xúc tác quang dị thể: Quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn của chất bán dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg). Electron và lỗ trống quang sinh tham gia vào các phản ứng oxi hóa-khử tạo ra các gốc tự do như HO• và O2•- có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ.

• Mô hình hệ lai ghép dạng Z: Kết hợp hai vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp để tăng hiệu quả phân tách electron-lỗ trống, hạn chế tái tổ hợp, đồng thời giữ được thế năng oxi hóa và khử mạnh mẽ. Hệ WO3/Ag3VO4 là ví dụ điển hình với Eg lần lượt là 2,8 eV và 2 eV, tạo ra hiệu suất xúc tác quang cao hơn so với từng vật liệu riêng lẻ.

• Khái niệm vật liệu r-GO (graphene oxide dạng khử): r-GO có diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, giúp tăng cường vận chuyển điện tử trong hệ vật liệu composite, giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron vùng dẫn (e-CB), lỗ trống vùng hóa trị (h+VB), gốc tự do HO• và O2•-, hiệu suất phân hủy kháng sinh, và cơ chế chuyển điện tích trong hệ lai ghép.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tiền chất như AgNO3, Na2WO4, Na3VO4 và graphite để tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO. Dữ liệu thu thập từ các phân tích đặc trưng vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy amoxicillin trong môi trường nước.

• Phương pháp phân tích: Các kỹ thuật hóa lý hiện đại được áp dụng gồm phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm; nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (HRTEM) để khảo sát hình thái bề mặt; phổ hồng ngoại (IR) để xác định liên kết hóa học; phổ quang phát quang (PL) để đánh giá sự tái tổ hợp electron-lỗ trống; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

• Phương pháp thực nghiệm: Tổng hợp vật liệu theo các bước thủy nhiệt và khử hóa học, khảo sát hoạt tính xúc tác quang bằng phản ứng phân hủy amoxicillin dưới ánh sáng đèn compact mô phỏng ánh sáng nhìn thấy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2021 với cỡ mẫu vật liệu composite được điều chỉnh theo tỷ lệ khối lượng WO3/Ag3VO4 (5%, 10%, 15%, 20%) và bổ sung r-GO.

• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các phương pháp đặc trưng vật liệu hiện đại giúp đánh giá toàn diện cấu trúc, thành phần và tính chất quang xúc tác của vật liệu tổng hợp, từ đó liên hệ với hiệu suất phân hủy kháng sinh. Phương pháp phân hủy amoxicillin bằng xúc tác quang là mô hình thực nghiệm phù hợp để đánh giá hiệu quả ứng dụng trong xử lý nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu WO3 và hoạt tính xúc tác quang: Vật liệu WO3 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,8 eV, cấu trúc tinh thể dạng perovskit với các pha monoclinic và tetragonal tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 17 đến 1470°C. Hoạt tính xúc tác quang của WO3 thể hiện qua khả năng hấp phụ amoxicillin với dung lượng hấp phụ tăng theo thời gian, đạt khoảng 60% sau 120 phút.

2. Hiệu quả của vật liệu composite WO3/Ag3VO4 (WA-x): Tỷ lệ khối lượng WO3/Ag3VO4 là 10% (WA-10) cho hiệu suất phân hủy amoxicillin cao nhất, đạt 71,2% sau 90 phút chiếu sáng, cao hơn 3,1 lần so với Ag3VO4 và 4,6 lần so với WO3 riêng lẻ. Phổ UV-Vis DRS và PL cho thấy hệ lai ghép giảm đáng kể sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả chuyển điện tích.

3. Tác động của r-GO trong hệ WO3/Ag3VO4/r-GO: Việc bổ sung r-GO làm tăng hiệu suất phân hủy amoxicillin lên khoảng 85% sau 90 phút, nhờ khả năng vận chuyển điện tử hiệu quả, giảm sự tái tổ hợp và tăng diện tích bề mặt xúc tác. Hình ảnh TEM và HRTEM minh họa sự phân bố đồng đều của các hạt nano trên bề mặt r-GO.

4. Ảnh hưởng của các chất dập tắt gốc tự do: Thí nghiệm sử dụng các chất dập tắt gốc HO• và O2•- cho thấy gốc HO• đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy amoxicillin, chiếm ưu thế trong cơ chế xúc tác quang của hệ vật liệu composite.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất xúc tác quang trong hệ WO3/Ag3VO4/r-GO là do cơ chế chuyển điện tích hiệu quả theo mô hình hệ lai ghép dạng Z, giúp kéo dài thời gian sống của electron và lỗ trống quang sinh, từ đó tăng khả năng tạo ra các gốc tự do oxi hóa mạnh. So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu đơn lẻ hoặc composite không có r-GO, kết quả này cho thấy sự ưu việt rõ rệt về hiệu suất phân hủy kháng sinh.

Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy amoxicillin giữa các vật liệu WO3, Ag3VO4, WA-10 và WA/r-GO minh họa sự gia tăng hiệu quả rõ rệt khi kết hợp và bổ sung r-GO. Bảng phân tích thành phần nguyên tố và phổ PL hỗ trợ cho luận điểm về giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, đồng thời mở ra hướng phát triển các hệ vật liệu composite ứng dụng trong xử lý nước thải chứa chất kháng sinh và các hợp chất hữu cơ bền vững khác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO quy mô lớn: Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất cao, hướng tới ứng dụng công nghiệp trong vòng 2-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

2. Ứng dụng hệ vật liệu composite trong xử lý nước thải chứa kháng sinh: Triển khai thử nghiệm tại các nhà máy xử lý nước thải y tế, thủy sản và công nghiệp dược phẩm nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các đơn vị xử lý nước thải và trung tâm nghiên cứu môi trường.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác: Khảo sát hiệu quả phân hủy các loại thuốc trừ sâu, phẩm nhuộm và hợp chất hữu cơ bền khác bằng hệ vật liệu composite này. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa học và môi trường.

4. Phát triển công nghệ xúc tác quang sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp: Thiết kế hệ thống phản ứng xúc tác quang tận dụng nguồn năng lượng bền vững, giảm chi phí vận hành và tăng tính thân thiện môi trường. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu xúc tác quang, phương pháp tổng hợp và ứng dụng xử lý ô nhiễm nước, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và xử lý nước thải: Tham khảo để ứng dụng công nghệ xúc tác quang tiên tiến, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa kháng sinh và các chất hữu cơ khó phân hủy.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách, quy định về xử lý ô nhiễm nước và khuyến khích áp dụng công nghệ xanh, bền vững.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng quan tâm đến bảo vệ môi trường: Hiểu rõ về tác động của kháng sinh trong môi trường nước và các giải pháp xử lý hiệu quả, từ đó thúc đẩy các hoạt động bảo vệ nguồn nước sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu xúc tác quang WO3/Ag3VO4/r-GO có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
   Hệ vật liệu composite này có năng lượng vùng cấm hẹp, hấp thụ tốt ánh sáng nhìn thấy, giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ cơ chế lai ghép dạng Z và sự hỗ trợ của r-GO, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ bền vững như amoxicillin.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp và tốn kém không?
   Quy trình tổng hợp sử dụng các hóa chất phổ biến và phương pháp thủy nhiệt kết hợp khử hóa học, tương đối đơn giản và có thể tối ưu để giảm chi phí, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp.

3. Hiệu suất phân hủy amoxicillin đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hệ vật liệu WO3/Ag3VO4/r-GO đạt hiệu suất phân hủy amoxicillin khoảng 85% sau 90 phút chiếu sáng bằng đèn compact mô phỏng ánh sáng nhìn thấy.

4. Có thể tái sử dụng vật liệu xúc tác nhiều lần không?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite giữ được hiệu suất xúc tác trên 90% sau 4 lần tái sử dụng, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao.

5. Cơ chế phân hủy amoxicillin trên vật liệu composite như thế nào?
   Electron và lỗ trống quang sinh tạo ra các gốc tự do HO• và O2•- có hoạt tính oxi hóa mạnh, phân hủy amoxicillin thành CO2, H2O và các chất vô cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang composite WO3/Ag3VO4/r-GO với cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
• Hệ vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy amoxicillin cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn lẻ, đạt khoảng 85% sau 90 phút chiếu sáng.
• Cơ chế xúc tác quang dựa trên mô hình lai ghép dạng Z và sự hỗ trợ vận chuyển điện tử của r-GO giúp giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả xúc tác.
• Vật liệu có tính ổn định cao, khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải chứa kháng sinh và các chất hữu cơ bền vững.
• Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải, đồng thời mở rộng nghiên cứu xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XÚC TÁC QUANG 1. Khái niệm xúc tác quang Thuật ngữ xúc tác quang được dành cho các phản ứng được tiến hành khi có mặt đồng thời các chất bán dẫn và ánh sáng.

Theo đó, IUPAC định nghĩa xúc tác quang là “sự thay đổi tốc độ phản ứng hay lượng chất ban đầu do hoạt động của các bức xạ cực tím, khả kiến và hồng ngoại trong sự có mặt của một chất – gọi là chất xúc tác quang – đã hấp thụ năng lượng từ nguồn bức xạ”, và quá trình này “chỉ bao gồm sự chuyển khối hóa học của các chất tham gia phản ứng”. Phản ứng đảm bảo các yêu cầu trên gọi là phản ứng xúc tác quang. Khác với các chất xúc tác thông thường được hoạt hóa bằng nhiệt, chất xúc tác quang được hoạt hóa bằng các photon ánh sáng có năng lượng thích hợp. Xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ ô nhiễm bằng phương pháp xúc tác quang được biết là công nghệ thân thiện với môi trường và có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn [2].

Cơ chế xúc tác quang Xúc tác quang là phản ứng sử dụng nguồn năng lượng từ các bức xạ điện từ của photon để hoạt hóa phản ứng. Phương trình Plank biểu diễn mối quan hệ giữa tần số ν của bức xạ điện từ và năng lượng (E) tương ứng của nó, như sau: E = hν (h: hằng số Plank) (1.1) Để kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, năng lượng của bức xạ điện từ cần phải lớn hơn năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn. Mỗi e 8 một photon có một năng lượng (hay bước sóng riêng) kích thích để nâng một electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo thành electron vùng dẫn ở trạng thái kích thích (e-CB) và một lỗ trống mang điện tích dương trên vùng hóa trị (h+VB). Các hợp phần mang điện quang sinh này (e-CB và h+VB) hoạt động theo những hướng rất đa dạng tùy thuộc vào cấu trúc điện tử và môi trường hoạt động của bán dẫn.

Sau khi được hình thành, các tiểu phân mang điện quang sinh có hai khả năng tiếp tục hoạt động. Thứ nhất, các tiểu phân này di chuyển đến các vị trí bẫy nằm trên bề mặt vật liệu để tiến hành các tương tác với các hợp phần hấp phụ cho hoặc nhận electron. Thứ hai, các tiểu phân mang điện quang sinh có thể tái kết hợp do gặp nhau trong quá trình dịch chuyển. Quá trình tái kết hợp làm ngăn cản hoạt động quang oxi hóa khử và dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

Vùng năng lượng của chất cách điện, chất bán dẫn, chất dẫn điện. Dưới tác dụng của ánh sáng, cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn gồm các quá trình: Chất bán dẫn (C) + hν → e-CB(C) + h+VB(C) (1.2) Các electron và lỗ trống chuyển đến bề mặt và tương tác với một e 9 số chất bị hấp phụ trên bề mặt như nước và oxy tạo ra những gốc tự do trên bề mặt chất bán dẫn [3]. Cơ chế phản ứng xảy ra như sau:  hVB  H 2O  HO  H  (1.7) H2O2 phản ứng tạo ra HO  H 2O2  h  2HO (1.8)  H 2O2  eCB  HO  HO (1.10) Ion OH- sinh ra có thể tác dụng với lỗ trống quang sinh để tạo thêm gốc  HO  hVB  HO  HO (1.11) HO  oxi hóa các chất hữu cơ: HO• + Chất hữu cơ → CO2 + H2O +.12) Như đã biết, các electron quang sinh có tính khử rất mạnh còn các lỗ trống quang sinh có tính oxi hóa rất mạnh. Chúng sẽ tham gia phản ứng với các chất hấp phụ tại bề mặt chất xúc tác như H2O, ion OH-, các hợp chất hữu cơ hoặc oxi hòa tan để sinh ra gốc tự do HO , tác nhân chính của các quá trình oxi hóa khử nâng cao.

Tác nhân oxi hoá HO mạnh gấp 2 lần so với clo, và còn mạnh hơn cả O3 là tác nhân oxy hóa rất mạnh thường hay gặp. Có thể so sánh e 10 giá trị thế khử chuẩn của HO với một số tác nhân oxi hóa mạnh khác ở Bảng 1. Thế khử chuẩn của một số tác nhân oxi hoá mạnh Tác nhân Thế khử chuẩn (eV) Cl2 1,36 HO 2,80 O 2,42 O3 2,08 H2O2 1,78 Dữ liệu ở Bảng 1.1 cho thấy, gốc HO có khả năng oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ bền vững, ngoài ra nó còn ưu việt hơn do tốc độ phản ứng của nó có thể nhanh hơn O3 nhiều lần. Nhìn chung, các thành phần hữu cơ bị oxi hóa theo cơ chế: RH  HO  R  H 2O R  O2  H 2O  CO2  acid vô cơ Đối với hợp chất chứa nitơ dạng azo, phản ứng oxi hóa quang phân hủy xảy ra theo cơ chế sau: R  N  N  R'  HO  R  N  N  R'  OH R  N  N  R '  H  R  N  N   R '  H R  N  N  R   N 2 e 11  R  HO  phân hủy Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm trên hệ xúc tác quang là khí CO2, H2O và các chất vô cơ.

Mô phỏng quá trình xúc tác quang Các lỗ trống mang điện tích dương tự do chuyển động trong vùng hóa trị do các electron khác có thể nhảy vào lỗ trống để bão hòa điện tích, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Các electron quang sinh trên vùng dẫn cũng có xu hướng tái tổ hợp với các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị, kèm theo việc giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Quá trình này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu, nên việc kéo dài thời gian sống của electron và lỗ trống cũng làm tăng hiệu suất xúc tác quang. Do đó, việc pha tạp hoặc ghép các cặp chất với nhau một cách hợp lí là xu hướng mà các nhà khoa học hiện nay quan tâm và nghiên cứu [2].

Giới thiệu vật liệu xúc tác quang đã nghiên cứu Những năm gần đây, nhiều vật liệu xúc tác quang như TiO2 và ZnO, được biết đến như những chất xúc tác tiềm năng cho phản ứng oxi hóa chất e 12 hữu cơ, phản ứng phân tách nước trong vùng ánh sáng nhìn thấy [4][5] Khi được kích thích bởi một nguồn sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm thì vật liệu bán dẫn sẽ sinh ra các electron và lỗ trống quang sinh. Các electron sinh ra cư trú trên vùng dẫn, còn các lỗ trống sẽ cư trú ở vùng hóa trị của vật liệu. Sau đó, các electron và lỗ trống quang sinh sẽ di chuyển đến bề mặt của vật liệu xúc tác, tham gia vào quá trình oxi hoá nước tạo thành gốc HO• và khử O2 tạo thành O2•-. Đây là những gốc tự do có khả năng oxi hoá mạnh, sẽ tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ.

Các vật liệu xúc tác quang có thể được chia thành hai nhóm chính: nhóm vật liệu truyền thống (có năng lượng vùng cấm lớn và đã được nghiên cứu sử dụng nhiều như TiO2, ZnO,…) và nhóm vật liệu xúc tác quang mới (có năng lượng vùng cấm hẹp). Trong đó, TiO2 là một chất bán dẫn điển hình thuộc nhóm vật liệu truyền thống có Eg = 3,2eV [4] Vật liệu truyền thống TiO2 có ưu điểm nổi trội là có thế năng vùng dẫn âm hơn thế khử của O2/O2•-, thế năng vùng hóa trị dương hơn thế oxi hóa của HO•/H2O (lần lượt là -0,4 eV và +2,8 eV). Do vậy, nếu được kích hoạt bằng ánh sáng có năng lượng thích hợp ( < 388 nm) sẽ sử dụng được cả quá trình khử ở vùng dẫn và quá trình oxi hóa ở vùng hóa trị, nhờ đó sẽ cho hiệu quả xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ cao. Tuy nhiên, nhóm vật liệu truyền thống nói chung và TiO2 nói riêng có nhược điểm cố hữu là năng lượng vùng cấm rộng nên chỉ bị kích hoạt trong vùng bức xạ UV, điều này làm hạn chế hoạt tính xúc tác, khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu truyền thống để xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Do vậy, cần biến tính TiO2 bằng các kim loại (V, Fe, Ag, Pt,.), phi kim loại (C, N, S,.) hoặc ghép với các chất bán dẫn khác để mở rộng khả năng ứng dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy/ánh sáng mặt trời. e 13 Gần đây, nhóm các vật liệu xúc tác quang mới có năng lượng vùng cấm hẹp được quan tâm nghiên cứu. Ưu điểm của các vật liệu này là có thể sử dụng nguồn kích hoạt là ánh sáng nhìn thấy, đây là một thuận lợi lớn khi ứng dụng trong thực tiễn xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm. Tuy nhiên, nhược điểm chung của nhóm vật liệu xúc tác quang thế hệ mới là tốc độ tái tổ hợp nhanh của các cặp điện tử và lỗ trống quang sinh và chỉ có thế vùng dẫn phù hợp để khử O2 thành O2•- hoặc thế vùng hóa trị phù hợp để oxi hóa H2O thành HO•.

Cơ chế quang xúc tác của các vật liệu bán dẫn thế hệ mới được trình bày ở Hình 1. Cơ chế xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ của vật liệu bán dẫn mới Trong số các vật liệu bán dẫn thế hệ mới, các hợp chất bán dẫn dạng muối vanadate của nhiều kim loại khác nhau đã nhận được sự quan tâm, chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới do có năng lượng vùng cấm hẹp, có độ bền hóa học và độ bền nhiệt cao, giá thành tổng hợp thấp. Cụ thể, nhiều hợp chất bán dẫn dạng muối vanadate như: Zn2(VO4)3, BiVO4, CeVO4 và FeVO4,… đã được nghiên cứu, ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ, khử CO2 trong vùng ánh e 14 sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhìn [6,7,8,9]. Trong số đó, BiVO4 với năng lượng vùng cấm hẹp, khoảng 2,4 eV (dạng monoclinic) cũng đã thu hút được sự chú ý rất lớn từ các nhà khoa học và được kỳ vọng sẽ là một trong những chất có thể thay thế chất xúc tác quang truyền thống TiO2 do hoạt tính quang xúc tác của nó cao dưới ánh sáng nhìn thấy, có giá thành thấp, quy trình tổng hợp đơn giản và thân thiện với môi trường.

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG WO3 1. Cấu trúc của WO3 WO3 là oxit của kim loại chuyển tiếp Vonfram thuộc nhóm VIB. WO3 là chất bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm là 2,8 eV.