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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại đang là thách thức cấp bách tại Việt Nam và nhiều quốc gia đang phát triển trên thế giới. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ, vi sinh và hóa học còn tồn tại nhiều hạn chế về hiệu suất và chi phí vận hành cao.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa vô cơ (mã số 8440113) của Nguyễn Văn Phong, thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Kim và PGS. Nguyễn Thị Việt Nga, tập trung giải quyết bài toán trên thông qua hướng tiếp cận mới: tổng hợp và biến tính vật liệu GaN-ZnO để tạo vật liệu composit g-C₃N₄/GaN-ZnO ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước.

Điểm nổi bật của nghiên cứu nằm ở chỗ dung dịch rắn GaN-ZnO — vốn được khai thác chủ yếu trong lĩnh vực năng lượng (phân tách nước tạo H₂) — lần đầu tiên được biến tính bằng g-C₃N₄ thông qua phương pháp thủy nhiệt mới, mở ra hướng ứng dụng trong xử lý môi trường nước. Vật liệu tổng hợp có năng lượng vùng cấm (band gap) khoảng 2,7 eV, cho phép hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến — nguồn ánh sáng tự nhiên dồi dào và chi phí thấp.

Nghiên cứu được thực hiện hoàn toàn trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Khu A6, Trường Đại học Quy Nhơn, với các thiết bị đặc trưng hiện đại được đo đạc tại các cơ sở nghiên cứu uy tín trong và ngoài nước (ĐHQG Hà Nội, Đại học Ewha Womans, Hàn Quốc). Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, mà còn mang giá trị thực tiễn cao trong bối cảnh xử lý nước thải dệt nhuộm và các ngành công nghiệp sử dụng phẩm màu hữu cơ tại Việt Nam.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết cốt lõi trong hóa học vật liệu và quang xúc tác:

Lý thuyết vùng năng lượng điện tử (Band Theory): Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của chất bán dẫn gồm vùng hóa trị (Valence Band - VB) và vùng dẫn (Conduction Band - CB), được phân tách bởi năng lượng vùng cấm Eg. Khi photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg chiếu vào vật liệu, electron từ VB nhảy lên CB, tạo ra cặp electron quang sinh (e⁻CB) và lỗ trống quang sinh (h⁺VB). Các cặp điện tích này là tác nhân trực tiếp thúc đẩy phản ứng oxy hóa - khử phân hủy chất hữu cơ. Độ âm điện của N nhỏ hơn O khiến band gap của oxinitrua như GaN-ZnO thấp hơn oxit tương ứng khoảng 1 eV, cho phép hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến.

Lý thuyết xúc tác quang hóa dị thể (Heterogeneous Photocatalysis): Cơ chế phân hủy xảy ra qua 5 bước: (1) hình thành chất mang điện tích dưới tác dụng ánh sáng, (2) dịch chuyển điện tích đến bề mặt xúc tác, (3) bắt giữ điện tích tại bề mặt, (4) tái kết hợp điện tích (quá trình cần được hạn chế tối đa), và (5) phản ứng oxy hóa - khử trên bề mặt. Gốc hydroxyl (•OH), superoxide (•O₂⁻) và hydrogen peroxide (H₂O₂) sinh ra trong quá trình này đóng vai trò là tác nhân oxy hóa mạnh phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ.

Năm khái niệm chuyên ngành trọng tâm của nghiên cứu gồm: dung dịch rắn GaN-ZnO (pha đồng nhất có cấu trúc wurtzite lục phương), g-C₃N₄ (graphitic carbon nitride - chất bán dẫn phi kim loại phát hiện năm 2009), composit quang xúc tác (vật liệu lai ghép hai bán dẫn để hạn chế tái kết hợp điện tích), năng lượng vùng cấm Eg (band gap energy) và xanh metylen - MB (methylene blue, chất nhuộm hữu cơ điển hình dùng làm chất thử nghiệm mô hình).

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp vật liệu theo 3 bước liên tiếp:

• g-C₃N₄ được tổng hợp từ 2 gam melamin bằng phương pháp nung ở 500–520°C trong 4 giờ (tốc độ gia nhiệt 5°C/phút), thu được bột màu vàng.
• Dung dịch rắn GaN-ZnO được tổng hợp từ hỗn hợp Ga₂O₃ (1,08 gam) và ZnO (0,94 gam) theo tỉ lệ mol Ga/Zn = 1:1 với 2 gam melamin, nung trong dòng khí He ở các nhiệt độ 800, 850 và 900°C trong 4 giờ, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút.
• Composit g-C₃N₄/GaN-ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt (autoclave, 200°C, 12 giờ) với hàm lượng g-C₃N₄ thay đổi x = 5%, 7%, 10%.

Đặc trưng vật liệu sử dụng 7 phương pháp phân tích hiện đại: XRD (máy Siemen D-500, bước sóng Cu Kα = 1,540 Å), SEM (JEOL JSM-5410 LV, độ phóng đại 200x), UV-Vis-DRS (GBC Instrument-2885, vùng 300–800 nm), IR (GX-PerkinElmer, vùng 400–4000 cm⁻¹), EDX, XPS (ESCALab 250, nguồn Al Kα 1486,6 eV) và TEM (JEOL JEM-2100F).

Khảo sát hoạt tính xúc tác quang sử dụng 0,05 gam xúc tác trong 150 mL dung dịch MB, chiếu sáng bằng đèn LED 40W-220V có kính lọc UV, đo nồng độ MB theo thời gian (0–7 giờ) bằng UV-Vis (bước sóng 663 nm). Cỡ mẫu: khảo sát 7 mốc thời gian liên tiếp (1–7 giờ) cho mỗi điều kiện thí nghiệm. Lý do chọn phương pháp phân tích UV-Vis: MB hấp thụ mạnh ở 663 nm, cho phép xây dựng đường chuẩn tuyến tính với nồng độ 2–10 mg/L, đảm bảo độ chính xác và tái lặp cao mà không cần thuốc thử phức tạp.

---

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện 1 – Nhiệt độ 850°C là điều kiện tối ưu tổng hợp GaN-ZnO: Kết quả XRD cho thấy ở 800°C và 850°C chỉ thu được pha wurtzite lục phương thuần khiết của GaN-ZnO. Riêng mẫu GZ-850 cho các pic nhiễu xạ rõ nét, sắc và cường độ mạnh hơn GZ-800. Ở 900°C, toàn bộ vật liệu chuyển sang pha spinel ZnGa₂O₄ — không có hoạt tính xúc tác quang mong muốn. Kết quả này phù hợp với tài liệu công bố về sự hình thành ZnGa₂O₄ ở nhiệt độ cao (khoảng 1000°C), cho thấy ở 900°C xu hướng tạo pha bền nhiệt đã lấn át quá trình nitrua hóa.

Phát hiện 2 – Năng lượng vùng cấm phù hợp khai thác ánh sáng khả kiến: Phổ UV-Vis-DRS xác định năng lượng vùng cấm của g-C₃N₄ khoảng 2,7 eV và GaN-ZnO (mẫu GZ-850) thấp hơn các oxit kim loại đơn lẻ như TiO₂ (~3,2 eV) hay ZnO (~3,4 eV). Giá trị này cho phép cả hai thành phần hấp thụ ánh sáng khả kiến (bước sóng > 390 nm), tạo điều kiện vận hành xúc tác dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên mà không cần nguồn UV đắt tiền. Trong biểu đồ Tauc plot (đồ thị (αhν)² theo hν), đường thẳng tuyến tính cắt trục hoành cho giá trị Eg rõ ràng của từng mẫu, là công cụ trực quan để so sánh band gap giữa các loại vật liệu.

Phát hiện 3 – Composit 7%CN/GZ đạt hoạt tính xúc tác quang cao nhất: Trong ba tỉ lệ g-C₃N₄ khảo sát (5%, 7%, 10%), mẫu 7%CN/GZ cho hiệu suất phân hủy MB cao nhất dưới ánh sáng đèn sợi đốt 60W-220V và đèn LED 40W-220V. So sánh với GaN-ZnO đơn lẻ và g-C₃N₄ đơn lẻ, mẫu composit 7%CN/GZ vượt trội đáng kể, phù hợp với hiệu ứng hợp lực (synergistic effect) giữa hai thành phần bán dẫn: g-C₃N₄ hạn chế tái kết hợp electron - lỗ trống, kéo dài thời gian tồn tại của các cặp điện tích quang sinh.

Phát hiện 4 – Gốc hydroxyl (•OH) là tác nhân oxy hóa chủ đạo trong cơ chế phân hủy MB: Thí nghiệm sử dụng các chất bắt gốc tự do (quencher) — tert-butylic (TB) bắt gốc •OH, 1,4-benzoquinon (BQ) bắt gốc •O₂⁻, amoni oxalat (AO) bắt gốc h⁺VB và DMSO bắt gốc e⁻CB — trên mẫu 7%CN/GZ cho thấy khi có mặt TB, hiệu suất phân hủy MB giảm mạnh nhất. Kết quả này được thể hiện rõ ràng qua đồ thị hiệu suất theo thời gian (Hình 3.20), trong đó đường đồ thị khi dùng TB sụt giảm rõ rệt so với đường không có quencher, khẳng định gốc •OH đóng vai trò chủ đạo. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood (Hình 3.21) được áp dụng thành công để mô tả định lượng quá trình phân hủy MB.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hoạt tính của composit g-C₃N₄/GaN-ZnO so với từng thành phần đơn lẻ được giải thích theo cơ chế chuyển điện tích dị hướng (heterojunction): g-C₃N₄ và GaN-ZnO có vị trí VB và CB phù hợp để electron từ CB của g-C₃N₄ dịch chuyển sang CB của GaN-ZnO, trong khi lỗ trống từ VB của GaN-ZnO dịch chuyển ngược lại, làm giảm đáng kể xác suất tái kết hợp. Cơ chế này tương đồng với các composit đã được công bố như g-C₃N₄/NiFe₂O₄ (Huaming Li và cộng sự) và SnO₂/g-C₃N₄ (Rong Yin và cộng sự), đều cho thấy hiệu ứng liên hợp π-π và sự tách điện tích hiệu quả tại bề mặt tiếp xúc hai pha.

Điểm điện tích không (pHPZC) của mẫu 7%CN/GZ được xác định từ đồ thị ΔpHi theo pHi (Hình 3.18). Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH cho thấy hoạt tính xúc tác thay đổi theo pH đầu vào (Hình 3.19A-B), phù hợp với đặc tính bề mặt tích điện của vật liệu — yếu tố quan trọng khi triển khai xử lý nước thải thực tế với pH biến động.

---

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, bốn nhóm giải pháp được đề xuất nhằm đưa vật liệu g-C₃N₄/GaN-ZnO vào ứng dụng thực tiễn:

1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để nâng cao hiệu suất phân hủy lên trên 95%: Các nhóm nghiên cứu nên tiếp tục khảo sát tỉ lệ mol Ga/Zn (hiện nghiên cứu cố định ở 1:1) và nhiệt độ thủy nhiệt (hiện ở 200°C). Việc thay đổi các thông số này có thể tinh chỉnh diện tích bề mặt và năng lượng vùng cấm, hướng đến mục tiêu phân hủy hoàn toàn MB trong 5 giờ chiếu sáng thay vì 7 giờ. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu chuyên ngành hóa vô cơ tại các trường đại học kỹ thuật.

2. Mở rộng đối tượng chất ô nhiễm kiểm tra trong vòng 12 tháng tới: Nghiên cứu hiện chỉ kiểm tra trên MB (methylene blue). Cần bổ sung thêm các chất hữu cơ khác có mức độ ô nhiễm cao tại Việt Nam như Rhodamine B (RhB), methyl orange (MO) và các kháng sinh tồn dư trong nước thải chăn nuôi. Hiệu suất phân hủy RhB và MO đạt 90% trong điều kiện ánh sáng khả kiến là mốc mục tiêu cần hướng đến. Chủ thể thực hiện: Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

3. Đánh giá khả năng tái sử dụng xúc tác và độ bền vật liệu qua ít nhất 5 chu kỳ: Composit g-C₃N₄/GaN-ZnO cần được kiểm định khả năng tái sử dụng, đặc biệt là mức độ suy giảm hoạt tính sau mỗi chu kỳ phản ứng. Vật liệu được coi là đạt yêu cầu ứng dụng thực tế nếu hoạt tính còn duy trì trên 80% sau 5 chu kỳ — tiêu chí đã được chứng minh bởi composit g-C₃N₄/NiFe₂O₄ trong tài liệu tham khảo của nghiên cứu. Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật môi trường tại các công ty xử lý nước thải.

4. Nghiên cứu tích hợp vật liệu vào hệ thống xử lý nước thải quy mô pilot trong vòng 24 tháng: Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp composit sử dụng hóa chất cơ bản (Ga₂O₃, ZnO, melamin), chi phí thấp và quy trình đơn giản. Đây là nền tảng để thiết kế hệ phản ứng quang xúc tác dạng màng hoặc dạng tấm, tương tự như tấm Rh₂-yCryO₃/GaN-ZnO kích thước 5cm × 5cm đã được Kazunari Domen và cộng sự sản xuất quy mô lớn. Mục tiêu xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 13-MT:2015/BTNMT cột B về nước thải công nghiệp dệt nhuộm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ môi trường và Bộ Tài nguyên và Môi trường.

---

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa học, Vật liệu và Kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp chi tiết cho ba loại vật liệu (g-C₃N₄, GaN-ZnO, composit) với đầy đủ thông số kỹ thuật về nhiệt độ, thời gian, tốc độ gia nhiệt và tỉ lệ mol. Phần mô tả 7 phương pháp đặc trưng vật liệu (XRD, SEM, TEM, IR, EDX, XPS, UV-Vis-DRS) với nguyên lý và điều kiện thực nghiệm cụ thể là tài liệu tham khảo thực hành hữu ích cho các bài thực nghiệm cùng hướng.

2. Giảng viên và nhà khoa học trong lĩnh vực quang xúc tác và năng lượng tái tạo: Nghiên cứu mở ra hướng mới ứng dụng GaN-ZnO — vật liệu vốn được nghiên cứu trong lĩnh vực phân tách nước tạo H₂ — sang xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước. Đây là cơ sở để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về composit đa thành phần, doping kim loại chuyển tiếp, hoặc tích hợp với vật liệu Z-scheme nhằm tăng hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời.

3. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ môi trường trong các khu công nghiệp dệt nhuộm: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH, nồng độ MB ban đầu và cường độ nguồn sáng cung cấp dữ liệu thực nghiệm để đánh giá khả năng triển khai xúc tác quang trong điều kiện nước thải thực tế. Vật liệu hoạt động dưới đèn LED thông thường (40W-220V) mà không cần nguồn UV chuyên dụng là ưu điểm về chi phí vận hành đáng chú ý.

4. Cán bộ quản lý nhà nước về môi trường và xây dựng chính sách: Nghiên cứu cung cấp bằng chứng khoa học cho việc phát triển và ứng dụng công nghệ xúc tác quang — phương pháp xử lý không tạo ra chất thải thứ cấp, chất xúc tác không bị tiêu hao và có thể vận hành bằng năng lượng mặt trời. Đây là những luận cứ khoa học hỗ trợ xây dựng chính sách ưu tiên công nghệ xanh trong xử lý nước thải công nghiệp tại Việt Nam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lại chọn GaN-ZnO thay vì TiO₂ hoặc ZnO truyền thống làm vật liệu xúc tác quang?

TiO₂ và ZnO là những chất xúc tác quang được nghiên cứu nhiều nhất, nhưng hạn chế cốt lõi là chúng chỉ hoạt động tốt dưới ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm chưa đến 5% năng lượng bức xạ mặt trời. Dung dịch rắn GaN-ZnO có band gap thấp hơn khoảng 1 eV so với các oxit đơn lẻ do sự thay thế O bằng N (độ âm điện thấp hơn), cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến chiếm khoảng 43% năng lượng mặt trời, nâng cao đáng kể hiệu quả khai thác ánh sáng tự nhiên.

2. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp composit có ưu điểm gì so với phương pháp nung trực tiếp?

Phương pháp nung trực tiếp (như nhóm Ming Yang đã thực hiện với g-C₃N₄/GaN-ZnO) tiến hành ở 500°C trong 2 giờ, có thể làm biến đổi cấu trúc của từng thành phần. Phương pháp thủy nhiệt ở 200°C trong 12 giờ cho phép hai thành phần kết hợp nhẹ nhàng hơn, bảo tồn được cấu trúc tinh thể của cả g-C₃N₄ lẫn GaN-ZnO, đồng thời tạo bề mặt tiếp xúc tốt hơn giữa hai pha — yếu tố quyết định hiệu quả chuyển điện tích.

3. Tại sao hàm lượng g-C₃N₄ là 7% lại cho hoạt tính xúc tác tốt nhất?

Trong vật liệu composit, hàm lượng g-C₃N₄ quá thấp (5%) không đủ để hình thành đủ bề mặt tiếp xúc hai pha, làm giảm khả năng tách điện tích. Ngược lại, hàm lượng quá cao (10%) làm che phủ bề mặt hoạt động của GaN-ZnO, giảm diện tích tiếp xúc ánh sáng và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Hàm lượng 7% tạo ra sự cân bằng tối ưu giữa hai yếu tố này, là một đặc tính phổ biến quan sát thấy trong nhiều hệ composit bán dẫn tương tự như g-C₃N₄/NiFe₂O₄ hay WO₃/g-C₃N₄.

4. Xanh metylen (MB) có phải là chất ô nhiễm thực tế hay chỉ là mô hình thử nghiệm?

MB là phẩm màu cationic thuộc nhóm thiazine, được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt nhuộm, y tế và in ấn tại Việt Nam. Trong nghiên cứu khoa học, MB đóng vai trò chất thử nghiệm mô hình (model pollutant) vì có peak hấp thụ UV-Vis đặc trưng ở 663 nm rất rõ ràng, dễ định lượng chính xác. Khả năng phân hủy MB là thước đo có giá trị dự báo hoạt tính xúc tác trong xử lý các phẩm màu hữu cơ thực tế trong nước thải công nghiệp.

5. Vật liệu tổng hợp có thể sử dụng bền vững trong thực tế không, hay chỉ hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng?

Nghiên cứu đã khảo sát tác động của nhiều yếu tố thực tế gồm: nồng độ MB ban đầu, cường độ nguồn sáng và pH dung dịch. Đặc biệt, thí nghiệm xác định điểm điện tích không (pHPZC) giúp dự đoán hành vi của vật liệu trong dải pH rộng của nước thải thực tế. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ độ bền lâu dài, cần bổ sung thêm dữ liệu về độ ổn định cấu trúc qua nhiều chu kỳ tái sử dụng và trong điều kiện nước thải thực có nhiều tạp chất cạnh tranh.

---

Kết luận

Luận văn đã đạt được những đóng góp khoa học và thực tiễn sau:

• Tổng hợp thành công vật liệu composit g-C₃N₄/GaN-ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt mới (200°C, 12 giờ), lần đầu tiên áp dụng cho hệ vật liệu này tại Việt Nam, mở ra hướng biến tính thay thế so với phương pháp nung truyền thống.
• Xác định điều kiện tổng hợp tối ưu: nhiệt độ nitrua hóa 850°C cho GaN-ZnO và hàm lượng 7% g-C₃N₄ cho composit, đảm bảo cấu trúc pha wurtzite thuần khiết và hoạt tính xúc tác cao nhất.
• Làm sáng tỏ cơ chế phân hủy: gốc hydroxyl (•OH) là tác nhân oxy hóa chính trong phản ứng quang phân hủy MB, xác nhận qua thí nghiệm quencher hệ thống.
• Mở rộng ứng dụng của dung dịch rắn GaN-ZnO từ lĩnh vực năng lượng sang xử lý ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước, bổ sung khoảng trống nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực này.
• Tạo nền tảng dữ liệu về ảnh hưởng của pH, nồng độ và cường độ ánh sáng — cơ sở khoa học thiết thực cho giai đoạn nghiên cứu pilot và triển khai thực tiễn tại các cơ sở xử lý nước thải dệt nhuộm trong 2–3 năm tới.

Để tiếp cận toàn văn và dữ liệu thực nghiệm chi tiết, liên hệ Thư viện Trường Đại học Quy Nhơn hoặc các bộ phận nghiên cứu chuyên ngành Hóa vô cơ.

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.