Nghiên Cứu Vật Liệu GaN-ZnO Ứng Dụng Làm Chất Xúc Tác Quang Xử Lý Ô Nhiễm Nước

Luận văn nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu gan ZnO, ứng dụng làm chất xúc tác quang trong xử lý hợp chất hữu cơ ô nhiễm nước.

• Tác giả: Nguyễn Văn Phong
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Kim
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu GaN-ZnO Làm Chất Xúc Tác Quang Xử Lý Ô Nhiễm Nước
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 1.1.1. Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 1.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DUNG DỊCH RẮN GaN-ZnO, g-C3N4 VÀ VẬT LIỆU BIẾN TÍNH
• 1.2.1. Dung dịch rắn GaN-ZnO và vật liệu biến tính
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN
• CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu GaN ZnO Xử Lý Ô Nhiễm Nước

Ô nhiễm môi trường nước là một vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Các phương pháp xử lý truyền thống còn nhiều hạn chế về hiệu suất và chi phí. Phương pháp xúc tác quang nổi lên như một giải pháp tiềm năng, sử dụng chất xúc tác quang (photocatalyst) để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại dưới tác dụng của ánh sáng. Trong đó, vật liệu GaN-ZnO nanocomposites thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội. Vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, tăng cường hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp và biến tính vật liệu GaN-ZnO, ứng dụng làm chất xúc tác quang (photocatalyst) để xử lý ô nhiễm nước.

1.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn GaN ZnO

GaN-ZnO nanocomposites là một dung dịch rắn của oxinitrua, thu hút sự chú ý trong lĩnh vực xúc tác quang nhờ khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Độ âm điện của N nhỏ hơn O, do đó vùng cấm (band gap) của oxinitrua thường nhỏ hơn oxit tương ứng, khoảng 1 eV. Cấu trúc GaN-ZnO có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tỷ lệ N/O. Các nghiên cứu đã xác nhận dung dịch rắn GaN–ZnO là một chất xúc tác quang (photocatalyst) hiệu quả, có kích thước hạt nano, năng lượng vùng cấm thấp, dễ tổng hợp và tái sử dụng.

1.2. Tiềm năng ứng dụng GaN ZnO trong xử lý ô nhiễm

Sử dụng GaN-ZnO để giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường nước. Vật liệu GaN-ZnO nanocomposites có khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như hiệu quả kinh tế cao, sử dụng hóa chất cơ bản và không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Tuy nhiên, để tăng cường ứng dụng GaN-ZnO nanocomposites trong xử lý ô nhiễm nước, cần có những nghiên cứu mới về biến tính vật liệu để tạo ra vật liệu mới có hoạt tính xúc tác mạnh mẽ hơn.

II. Thách Thức Giải Pháp Xử Lý Ô Nhiễm Nước với GaN ZnO

Mặc dù có tiềm năng lớn, việc ứng dụng GaN-ZnO nanocomposites vẫn còn đối mặt với một số thách thức. Hiệu suất quang xúc tác có thể bị hạn chế do sự tái kết hợp của các điện tử và lỗ trống quang sinh. Bên cạnh đó, việc tổng hợp vật liệu với cấu trúc và tính chất mong muốn đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ. Để giải quyết những thách thức này, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào các phương pháp biến tính vật liệu, như doping kim loại, tạo vật liệu composite, hoặc điều chỉnh cấu trúc nano, nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác và mở rộng phạm vi ứng dụng của GaN-ZnO nanocomposites trong xử lý nước thải.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng hiệu suất quang xúc tác GaN ZnO

Hiệu suất quang xúc tác của GaN-ZnO nanocomposites chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Kích thước và hình thái của hạt nano ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và diện tích bề mặt tiếp xúc với chất ô nhiễm. Tỷ lệ GaN/ZnO trong dung dịch rắn cũng ảnh hưởng đến năng lượng vùng cấm và khả năng tạo thành các cặp điện tử-lỗ trống. Ngoài ra, các điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, và cường độ ánh sáng cũng đóng vai trò quan trọng.

2.2. Biện pháp nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm GaN ZnO

Để nâng cao hiệu suất quang xúc tác của GaN-ZnO nanocomposites, có nhiều phương pháp biến tính đã được nghiên cứu. Doped GaN-ZnO với các ion kim loại có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái kết hợp của các điện tử-lỗ trống. Tạo vật liệu composite với các vật liệu bán dẫn khác, như g-C3N4, cũng có thể tăng cường hiệu quả phản ứng quang xúc tác thông qua việc mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và thúc đẩy sự tách điện tích.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Đặc Trưng Vật Liệu GaN ZnO Nanocomposites

Việc điều chế GaN-ZnO đòi hỏi các phương pháp tổng hợp tiên tiến để kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp nhiệt phân, phương pháp sol-gel, và phương pháp thủy nhiệt. Sau khi tổng hợp, các kỹ thuật phân tích XRD, SEM, TEM, UV-Vis DRS, và XPS được sử dụng để đặc trưng vật liệu về cấu trúc tinh thể, hình thái học, thành phần hóa học, và tính chất quang học. Các thông tin này rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế quang xúc tác và tối ưu hóa hiệu suất xử lý ô nhiễm.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu GaN ZnO hiệu quả

Tổng hợp vật liệu GaN-ZnO thường bắt đầu bằng việc trộn các tiền chất chứa Ga và Zn, sau đó nung ở nhiệt độ cao trong môi trường nitơ để tạo thành dung dịch rắn. Nhiệt độ nung và tỷ lệ GaN/ZnO là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và hình thái của hạt nano.

3.2. Kỹ thuật phân tích đặc trưng tính chất GaN ZnO

Phân tích XRD (nhiễu xạ tia X) xác định cấu trúc tinh thể của GaN-ZnO nanocomposites. SEM (kính hiển vi điện tử quét) và TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua) cho phép quan sát hình thái và kích thước hạt nano. UV-Vis DRS (phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến) xác định khả năng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm. XPS (phổ quang điện tử tia X) cung cấp thông tin về thành phần hóa học và trạng thái oxy hóa của các nguyên tố trên bề mặt vật liệu.

3.3. Phân tích phổ IR xác định liên kết trong vật liệu GaN ZnO

Phổ hồng ngoại (IR) giúp xác định sự có mặt của các liên kết hóa học trong vật liệu GaN-ZnO. Thông qua phân tích phổ IR, chúng ta có thể xác định các nhóm chức năng có mặt trên bề mặt vật liệu, từ đó suy ra các tương tác có thể xảy ra giữa vật liệu và chất ô nhiễm trong quá trình phản ứng quang xúc tác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Đánh Giá Hiệu Quả GaN ZnO Xử Lý Nước

Hoạt tính quang xúc tác của GaN-ZnO nanocomposites được đánh giá thông qua việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và các chất gây ô nhiễm công nghiệp. Hiệu quả xử lý ô nhiễm nước được xác định bằng cách đo sự giảm nồng độ của chất ô nhiễm theo thời gian dưới tác dụng của ánh sáng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, như nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng, và pH, cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình xử lý ô nhiễm bằng ánh sáng.

4.1. Phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ bằng GaN ZnO dưới ánh sáng

Phân hủy thuốc nhuộm methylene blue (MB) thường được sử dụng làm chất thử nghiệm để đánh giá hoạt tính quang xúc tác của GaN-ZnO nanocomposites. Quá trình phân hủy MB được theo dõi bằng cách đo sự giảm độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch MB theo thời gian. Hiệu suất phân hủy được tính toán dựa trên sự thay đổi nồng độ MB.

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả xử lý

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng, và pH đến hiệu quả xử lý ô nhiễm giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải bằng GaN-ZnO nanocomposites. Ví dụ, hiệu quả xử lý có thể tăng lên khi nồng độ chất ô nhiễm thấp hơn hoặc cường độ ánh sáng cao hơn. Điều chỉnh pH cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của GaN-ZnO nanocomposites đối với chất ô nhiễm.

V. Biến Tính Vật Liệu GaN ZnO G C3N4 GaN ZnO Composite Hiệu Quả

Để nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng, một hướng nghiên cứu quan trọng là biến tính GaN-ZnO bằng cách tạo vật liệu composite với g-C3N4. Vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, giảm thiểu sự tái kết hợp điện tử-lỗ trống, và tăng cường hiệu quả quang xúc tác. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng g-C3N4/GaN-ZnO composite có hiệu quả vượt trội so với GaN-ZnO đơn thuần trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ.

5.1. Ưu điểm của g C3N4 GaN ZnO trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO tận dụng ưu điểm của cả hai thành phần. g-C3N4 có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, trong khi GaN-ZnO có hoạt tính quang xúc tác cao. Sự kết hợp này giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu quả tách điện tích, dẫn đến hiệu suất xử lý ô nhiễm cao hơn.

5.2. Tổng hợp và đặc trưng g C3N4 GaN ZnO nanocomposites

Vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp, như phương pháp thủy nhiệt hoặc phương pháp trộn cơ học. Sau khi tổng hợp, các kỹ thuật đặc trưng vật liệu như XRD, SEM, TEM, và XPS được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái, và thành phần của vật liệu composite.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu GaN ZnO Xử Lý Nước

GaN-ZnO nanocomposites là một vật liệu tiềm năng cho xử lý ô nhiễm nước nhờ khả năng quang xúc tác hiệu quả. Biến tính vật liệu, đặc biệt là tạo vật liệu composite với g-C3N4, giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải thiện độ ổn định vật liệu, và phát triển các ứng dụng thực tế của GaN-ZnO nanocomposites trong công nghệ môi trường.

6.1. Tiềm năng ứng dụng thực tế GaN ZnO trong tương lai

Với những ưu điểm vượt trội, GaN-ZnO nanocomposites có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước sinh hoạt, và xử lý ô nhiễm môi trường nước do các hoạt động nông nghiệp. Phát triển các hệ thống xử lý ô nhiễm nước sử dụng GaN-ZnO nanocomposites có thể góp phần giải quyết vấn đề khan hiếm nước sạch và bảo vệ môi trường.

6.2. Nghiên cứu hướng đến phát triển bền vững từ GaN ZnO

Nghiên cứu về GaN-ZnO nanocomposites cần hướng đến mục tiêu phát triển bền vững, bằng cách sử dụng các phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường, tái chế vật liệu, và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc áp dụng các nguyên tắc của kinh tế tuần hoàn trong quá trình sản xuất và sử dụng GaN-ZnO nanocomposites sẽ góp phần tạo ra một tương lai xanh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1. Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng xúc tác quang Trong lĩnh vực hóa học hiện nay, khái niệm xúc tác quang đƣợc dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, có thể nói ánh sáng chính là nhân tố để kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.

Vì vậy, sử dụng chất bán dẫn làm xúc tác quang hóa và áp dụng vào xử lý môi trƣờng đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm nhiều hơn so với các phƣơng pháp thông thƣờng khác. Đây đƣợc xem là phƣơng pháp mới vì nó có một số ƣu điểm sau: nổi bật nhất là bản thân chất xúc tác không bị biến đổi trong suốt quá trình và không cần cung cấp năng lƣợng khác cho hệ phản ứng, ngoài ra nó cũng có thể thực hiện ở nhiệt độ và áp suất bình thƣờng, có thể sử dụng ánh sáng nhân tạo hoặc bức xạ tự nhiên của mặt trời, chất xúc tác rẻ tiền và không độc. Sự phân bố vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện [24] 5 Hình 1.1 cho thấy thành phần của các vùng điện tử trong chất rắn đƣợc xác định rõ ràng. Theo lí thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại gồm có một vùng gồm những obitan phân tử liên kết đƣợc xếp đủ electron, đƣợc gọi là vùng hóa trị (Valance band - VB) và một vùng gồm những obitan phân tử liên kết còn trống electron, đƣợc gọi là vùng dẫn (Conduction band - CB).

Hai vùng này đƣợc chia cách nhau bởi một hố năng lƣợng đƣợc gọi là vùng cấm, đặc trƣng bởi năng lƣợng vùng cấm Eg (Band gap energy) chính là độ chênh lệch giữa hai vùng nói trên. Sự khác nhau giữa vật liệu dẫn điện, cách điện và bán dẫn chính là sự khác nhau về vị trí và năng lƣợng vùng cấm. Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện, khi có một kích thích đủ lớn (lớn hơn năng lƣợng vùng cấm Eg), các electron trong vùng hóa trị của vật liệu bán dẫn có thể vƣợt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn, trở thành chất dẫn điện có điều kiện. Quá trình xúc tác quang hóa bắt đầu khi các photon đƣợc hấp thụ bởi các chất bán dẫn có năng lƣợng cao hơn hoặc bằng với năng lƣợng vùng cấm dẫn đến sự kích thích các electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các cặp electron - lỗ trống quang sinh.

Các electron và lỗ trống quang sinh này có thể kết hợp lại trên bề mặt vật liệu xúc tác bán dẫn hay trong khối các hạt bán dẫn kèm theo việc giải phóng năng lƣợng dƣới dạng nhiệt, hoặc di chuyển đến bề mặt nơi chúng có thể phản ứng với các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt của vật liệu bán dẫn. Các lỗ trống quang sinh có khả năng oxi hóa và các electron quang sinh có khả năng khử. Xúc tác quang là một quá trình bao gồm nhiều bƣớc khác nhau và một số lƣợng lớn các phản ứng xảy ra theo chuỗi và song song [24]. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể [24] Hình 1.2 mô tả cơ chế phản ứng xúc tác quang tổng quát của hợp chất dƣới bức xạ tử ngoại (UV light) với sự hình thành các gốc và các cấu tử oxi hóa mạnh khác đã thúc đẩy sự phân hủy các chất độc hữu cơ trong nƣớc.

Cơ chế xúc tác quang dƣới bức xạ UV bao gồm: (1) sự hình thành chất mang điện tích, (2) sự dịch chuyển điện tích, (3) sự bắt giữ điện tích, (4) sự tái kết hợp điện tích và (5) các phản ứng xảy ra trên bề mặt xúc tác. Dƣới tác dụng của ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp, các electron hóa trị của các chất bán dẫn bị tách khỏi liên kết từ vùng hóa trị (VB) chuyển đến vùng dẫn (CB) tạo ra lỗ trống khuyết điện tử (mang điện tích dƣơng) ở vùng hóa trị.1) Các electron và lỗ trống chuyển đến bề mặt và tƣơng tác với một số chất bị hấp thụ nhƣ nƣớc và oxy tạo ra những chất tự do trên bề mặt chất bán dẫn. Cơ chế phản ứng xảy ra nhƣ sau [47]: h +VB + H2O   HO• + H+ (1.4) - H2O + eCB   HO• + HO- (1.5) h +VB + HO-   HO• (1.6) Các gốc tự do và sản phẩm trung gian tạo ra nhƣ •OH, •O2ˉ, H2O2, O2 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ, nấm khi tiếp xúc. Lỗ trống mang điện tích dƣơng tự do chuyển động trong vùng hóa trị, do đó 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 hƣớng tái kết hợp với các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị, kèm theo việc giải phóng năng lƣợng dƣới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Quá trình này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang Trong thời gian gần đây, việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là môi trƣờng nƣớc bằng các vật liệu xúc tác quang đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi. Bên cạnh khả năng loại bỏ triệt để các hợp chất hữu cơ độc hại trong nƣớc, các chất xúc tác quang còn đƣợc chú trọng do hiệu quả kinh tế và môi trƣờng mà chúng mang lại.

Hiện nay, nhiều chất bán dẫn của oxit kim loại đã đƣợc sử dụng hiệu quả nhƣ TiO2, ZnO, WO3,. Đặc biệt là TiO2 và ZnO đƣợc nghiên cứu nhiều nhất, nhƣng hạn chế lớn nhất của các vật liệu này là chỉ hoạt động tốt trong vùng ánh sáng tử ngoại. Gần đây, các vật liệu mới nhƣ dung dịch rắn GaN-ZnO và g-C3N4, MoS2, Bi2MoO6,… đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Dù vậy, để các vật liệu này đƣợc ứng dụng vào thực tiễn thì còn rất nhiều vấn đề cần đƣợc giải quyết, trong đó quan trọng nhất vẫn là xúc tác hoạt động có hiệu quả dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời.

8 Khi đƣợc biến tính, hoạt tính quang xúc tác của vật liệu đã tăng lên rất nhiều so với các chất xúc tác quang riêng lẻ. Chẳng hạn nhƣ, g- C3N4/SrTiO3 [19], Ag3PO4/g-C3N4 [38], La2NiO4/g-C3N4 [22], g- C3N4/CaTiO3 [8] đã cải thiện hoạt tính xúc tác quang của SrTiO3, Ag3PO4, La2NiO4, CaTiO3 và g-C3N4. Có thể khẳng định, việc tạo nên các vật liệu composit là một trong những hƣớng đi hiệu quả nhằm tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu bán dẫn. Qua đó mở ra nhiều hƣớng nghiên cứu mới để tổng hợp các vật liệu xúc tác quang tiềm năng, ứng dụng vào lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhƣ hiện nay và góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng hóa thạch trong tƣơng lai.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DUNG DỊCH RẮN GaN-ZnO, g- C3N4 VÀ VẬT LIỆU BIẾN TÍNH 1. Dung dịch rắn GaN-ZnO và vật liệu biến tính Các cuộc điều tra gần đây về năng lƣợng thế giới cho thấy, nguồn năng lƣợng hóa thạch nguy cơ bị cạn kiệt, cụ thể là dầu mỏ, khí thiên nhiên và than đá đang bị suy giảm nhanh chóng trong một thời gian ngắn. Do đó, vấn đề quan trọng đặt ra là tìm kiếm nguồn năng lƣợng sạch và bền vững. Chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành nhiên liệu hóa học bằng phản ứng quang xúc tác phân tách nƣớc thành hydro và oxy đƣợc coi là một giải pháp hiệu quả nhất [69], [75], thiết lập cơ sở hạ tầng năng lƣợng bền vững.

Không chỉ vì hydro là một dạng năng lƣợng sạch, mà bởi vì năng lƣợng mặt trời là vô tận trong tự nhiên và đƣợc phân bố rộng rãi trên toàn thế giới. Dung dịch rắn GaN–ZnO là một trong những vật liệu quang xúc tác đƣợc kì vọng cho giải pháp này, nhằm thiết lập nguồn năng lƣợng sạch, bền vững cho toàn cầu. Dung dịch rắn GaN–ZnO là pha đồng nhất có cấu trúc mạng tinh thể gồm hai cấu tử GaN và ZnO hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn. Thông thƣờng, 9 GaN là chất dung môi (có hàm lƣợng nhiều hơn), còn ZnO là chất tan (có hàm lƣợng ít hơn).

Hai cấu tử GaN và ZnO hội đủ các điều kiện để hình thành dung dịch rắn: + Cùng kiểu mạng tinh thể lục phƣơng; + Có kích thƣớc gần bằng nhau: GaN (thông số mạng: a = b = 3,19 Å; c = 5,19 Å), ZnO (thông số mạng: a = b = 3,25 Å; c = 5,20 Å); + Electron hóa trị của GaN và ZnO là nhƣ nhau. Với các điều kiện trên, GaN và ZnO có thể tạo thành dung dịch rắn GaN–ZnO. Dung dịch dạng này có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Cấu trúc mạng tinh thể của ZnO và GaN và dung dịch rắn GaN–ZnO [76] Kazuhiko Maeda, Kazunari Domen và cộng sự [30] là nhóm khoa học tiên phong tiến hành tổng hợp dung dịch rắn GaN–ZnO.

Trong nghiên cứu này, GaN–ZnO đƣợc tổng hợp bằng cách nung hỗn hợp Ga2O3 và ZnO ở dạng bột trong dòng khí khử NH3 (250 mL/phút) ở nhiệt độ 850 oC, trong môi trƣờng khí trơ là N2 (99,9999%). Tỷ lệ mol của Zn và Ga (Zn/Ga) trong nguyên liệu ban đầu (ZnO và Ga2O3) đã đƣợc thay đổi trong khoảng 0,25 và 1,5. Tiến hành nitrua hóa sau 5 - 30 giờ, mẫu đƣợc làm lạnh tới nhiệt độ phòng trong dòng khí NH3. Một trong những sản phẩm của ông và cộng sự về dung dịch rắn GaN–ZnO đƣợc trình bày ở Hình 1.

Màu của ZnO, GaN và dung dịch rắn GaN–ZnO [27] Một số nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu tổng hợp dung dịch rắn GaN-ZnO và các vật liệu biến tính của nó để ứng dụng trong lĩnh vực năng lƣợng. Các công trình về việc tách nƣớc của dung dịch rắn GaN-ZnO đã đƣợc công bố trên các tạp chí uy tín thế giới [32], [34], [65]. Trong những nghiên cứu này, Kazunari Domen và cộng sự tập trung mạnh vào lĩnh vực năng lƣợng bằng việc nâng cao hiệu quả phân tách nƣớc thành H2 của dung dịch rắn GaN–ZnO và dạng biến tính. Đặc biệt, Kazunari Domen và cộng sự [6] đã tổng hợp thành công vật liệu Rh2-yCryO3/GaN–ZnO có trộn lẫn bột SiO2 kích thƣớc nanomet và đã đƣợc sản xuất thành tấm có kích cỡ 5cm x 5cm với quy mô lớn.