I. Tổng quan về vật liệu graphitic carbon nitride
Vật liệu graphitic carbon nitride (g-C3N5) đã trở thành tâm điểm của nhiều nghiên cứu gần đây do tính chất quang xúc tác vượt trội của nó. Cấu trúc polymer phi kim loại này không chỉ có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt mà còn có độ bền cao trong môi trường nước. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng g-C3N5 có thể được điều chế từ các tiền chất như 3-amino-1,2,4-triazole và axit oxalic thông qua quy trình nhiệt phân hai bước. Điều này giúp tạo ra các vật liệu có tính chất quang học và điện hóa tốt hơn. Theo Vinu và cộng sự (2017), cấu trúc g-C3N5 với các đơn vị triazole đầu cuối có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Như vậy, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu xúc tác này không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý ô nhiễm nước.
1.1. Cấu trúc và tính chất của g C3N5
Cấu trúc của graphitic carbon nitride g-C3N5 được hình thành bởi các đơn vị heptazine và triazole, tạo ra một mạng lưới liên kết mạnh mẽ. Cấu trúc này giúp tăng cường độ nhạy với ánh sáng khả kiến, từ đó cải thiện khả năng phân tách electron và lỗ trống quang sinh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mẫu g-C3N5 được biến tính có diện tích bề mặt riêng lên tới 249,78 m²/g, cao gấp 2,77 lần so với g-C3N5 nguyên bản. Điều này không chỉ nâng cao hoạt tính xúc tác mà còn làm giảm sự tái hợp của electron-lỗ trống, từ đó tăng cường hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Theo đó, việc cải thiện cấu trúc và tính chất của g-C3N5 là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả cho quá trình quang phân hủy.
II. Quá trình quang phân hủy các chất ô nhiễm
Quá trình quang phân hủy sử dụng xúc tác quang g-C3N5 đã được nghiên cứu rộng rãi trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như kháng sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng dưới ánh sáng UV, g-C3N5 có khả năng phân hủy sulfamethoxazole (SMX) với hiệu suất lên tới 77,3% chỉ sau 60 phút. Việc bổ sung peroxymonosulfate (PMS) vào hệ thống này đã làm tăng đáng kể tốc độ phân hủy, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của pH dung dịch. Các loài oxy hoạt động như •O2−, 1O2, SO4•−, •OH, và h+ đã tham gia vào quá trình loại bỏ SMX, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của hệ thống này trong việc xử lý nước thải. Điều này khẳng định rằng công nghệ xanh như quang xúc tác không chỉ có khả năng xử lý ô nhiễm mà còn thân thiện với môi trường.
2.1. Cơ chế phản ứng quang xúc tác
Cơ chế phản ứng trong quá trình quang phân hủy với sự tham gia của vật liệu xúc tác g-C3N5 được xác định thông qua việc phân tích các sản phẩm trung gian. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các sản phẩm trung gian hình thành trong quá trình phân hủy SMX có thể được xác định và cơ chế phân hủy được đề xuất. Việc xác định độc tính của các sản phẩm trung gian cho thấy rằng độc tính tổng thể của dung dịch giảm sau khi xử lý, từ đó khẳng định hiệu quả của công nghệ xanh trong việc cải thiện chất lượng nước. Điều này cũng mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu xúc tác khác nhằm nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm.
III. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu g C3N5
Việc ứng dụng vật liệu graphitic carbon nitride g-C3N5 trong xử lý nước thải đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng g-C3N5 không chỉ có khả năng phân hủy hiệu quả kháng sinh mà còn có thể được sử dụng để xử lý nhiều loại chất ô nhiễm khác. Sự ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu này cũng là một yếu tố quan trọng, khi g-C3N5 vẫn giữ được hoạt tính cao sau nhiều chu kỳ tái sử dụng. Điều này cho thấy rằng việc phát triển và ứng dụng các vật liệu xúc tác như g-C3N5 là một giải pháp khả thi cho vấn đề ô nhiễm môi trường nước hiện nay.
3.1. Tính bền vững và khả năng tái sử dụng
Tính bền vững của vật liệu xúc tác g-C3N5 được thể hiện qua khả năng duy trì hoạt tính sau nhiều chu kỳ sử dụng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mẫu g-C3N5-x-O vẫn giữ được hiệu suất quang xúc tác cao ngay cả sau bốn lần tái sử dụng, điều này cho thấy tính khả thi trong việc áp dụng thực tiễn. Việc phát triển các công nghệ xanh như vậy không chỉ giúp xử lý ô nhiễm mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Do đó, g-C3N5 có thể được coi là một lựa chọn tiềm năng trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho xử lý nước thải.
