## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, vật liệu nano oxit kim loại đã thu hút sự quan tâm lớn do tính chất đặc biệt và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, y học, công nghiệp và môi trường. Oxit zirconium (ZrO2) là một chất bán dẫn loại n với độ rộng vùng cấm lớn từ 3,25 đến 5,1 eV, được ứng dụng trong pin nhiên liệu, gốm kỹ thuật và chất xúc tác quang. Tuy nhiên, hiệu quả quang xúc tác của ZrO2 còn hạn chế do tốc độ tái hợp nhanh của các cặp electron/lỗ trống. Việc composit ZrO2 với oxit kẽm (ZnO) – một chất bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm khoảng 3,4 eV và khả năng hấp thụ ánh sáng UV cao – cùng pha tạp ion đất hiếm Ce4+ được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đặc trưng cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composit ZrO2/ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt, nhằm ứng dụng trong xử lý chất màu môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên trong năm 2020, với phạm vi tập trung vào các vật liệu nano composit có nồng độ Ce từ 0 đến 9%. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ như xanh metylen (MB), góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn:** Quang xúc tác dựa trên sự kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg). Sự phân tách hiệu quả các cặp electron/lỗ trống quyết định hiệu suất quang xúc tác.
- **Mô hình composit oxit kim loại:** Việc kết hợp ZrO2 với ZnO giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và giảm tốc độ tái hợp electron/lỗ trống, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
- **Pha tạp ion đất hiếm Ce4+:** Ion Ce4+ có khả năng tạo các trạng thái năng lượng trung gian, tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến và cải thiện sự phân tách điện tích.
- **Khái niệm vật liệu nano:** Vật liệu có kích thước dưới 100 nm với hiệu ứng bề mặt lớn, tăng hoạt tính hóa học và quang xúc tác.
- **Phương pháp thủy nhiệt:** Tổng hợp vật liệu trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, giúp kiểm soát kích thước hạt, cấu trúc và độ tinh khiết.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Vật liệu nano composit ZrO2/ZnO/x%Ce được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các nồng độ Ce khác nhau (0%, 3%, 5%, 7%, 9%). Các mẫu được đặc trưng bằng XRD, SEM, TEM, FT-IR, BET và UV-Vis-DRS.
- **Phân tích cấu trúc:** XRD xác định pha và kích thước hạt; SEM và TEM khảo sát hình thái và kích thước hạt nano; FT-IR phân tích liên kết hóa học; BET đo diện tích bề mặt riêng.
- **Phân tích quang xúc tác:** Hiệu suất phân hủy xanh metylen (MB) được khảo sát dưới điều kiện chiếu sáng đèn Led 30 W và không chiếu sáng, với các biến số khối lượng vật liệu, nồng độ MB, nhiệt độ và thời gian phản ứng.
- **Timeline nghiên cứu:** Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 6 tháng đầu năm 2020; khảo sát hoạt tính quang xúc tác và phân tích dữ liệu trong 6 tháng cuối năm 2020.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Cấu trúc vật liệu:** Tất cả các mẫu ZrO2/ZnO/x%Ce đều kết tinh đa pha với pha monoclinic ZrO2 và pha lục giác ZnO. Ion Ce4+ pha tạp vào mạng tinh thể làm dịch chuyển đỉnh nhiễu xạ về góc 2θ nhỏ hơn do bán kính ion lớn hơn, chứng tỏ sự pha tạp thành công.
- **Hình thái hạt:** SEM cho thấy hạt nano hình cầu với kích thước 50-90 nm, có xu hướng kết tụ. TEM cho thấy vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce có dạng thanh nano với kích thước lớn hơn so với hạt cầu của ZrO2/ZnO.
- **Diện tích bề mặt:** Vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce có diện tích bề mặt 11,71 m²/g, lớn hơn đáng kể so với 7,91 m²/g của ZrO2/ZnO, góp phần tăng hiệu quả quang xúc tác.
- **Vùng hấp thụ ánh sáng:** Năng lượng vùng cấm giảm từ 3,25 eV xuống 3,15 eV khi tăng nồng độ Ce4+ từ 0 đến 9%, mở rộng vùng hấp thụ về ánh sáng khả kiến (~400 nm).
- **Hiệu suất phân hủy MB:** Hiệu suất phân hủy MB tăng theo khối lượng vật liệu và nồng độ Ce4+. Với 50 mg vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce dưới đèn Led 30 W, hiệu suất đạt khoảng 65%, cao hơn so với 57,85% của ZrO2/ZnO không pha tạp.

### Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác tăng lên nhờ sự kết hợp giữa ZrO2 và ZnO, giúp giảm tốc độ tái hợp electron/lỗ trống và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng. Pha tạp Ce4+ tạo ra các trạng thái năng lượng trung gian, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và cải thiện sự phân tách điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy MB. Kết quả tương đồng với các nghiên cứu trước đây về vật liệu composit oxit kim loại và pha tạp ion đất hiếm. Diện tích bề mặt lớn hơn của vật liệu pha tạp Ce cũng góp phần tăng khả năng hấp phụ chất màu, thuận lợi cho quá trình quang xúc tác. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo khối lượng vật liệu và nồng độ Ce, cũng như bảng so sánh các thông số vật liệu.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tối ưu hóa nồng độ pha tạp Ce:** Khuyến nghị sử dụng nồng độ Ce khoảng 5% để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, giảm thiểu chi phí và tăng tính ổn định vật liệu.
- **Phát triển quy trình tổng hợp thủy nhiệt:** Áp dụng quy trình thủy nhiệt với điều kiện 150°C trong 20 giờ, sau đó nung ở 600°C trong 5 giờ để đảm bảo kích thước hạt và cấu trúc phù hợp.
- **Ứng dụng trong xử lý nước thải:** Khuyến khích triển khai thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có chứa chất màu hữu cơ, nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng tái sử dụng vật liệu.
- **Nâng cao công suất chiếu sáng:** Sử dụng đèn Led công suất 30 W hoặc cao hơn để tăng hiệu quả quang xúc tác trong các hệ thống xử lý nước.
- **Đào tạo và chuyển giao công nghệ:** Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và nhà nghiên cứu về kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano composit trong xử lý môi trường.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu:** Nắm bắt kiến thức về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano composit, phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng quang xúc tác.
- **Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước:** Áp dụng vật liệu nano composit ZrO2/ZnO/Ce trong xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ, nâng cao hiệu quả xử lý.
- **Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước:** Tham khảo quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường.
- **Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:** Hiểu rõ tiềm năng công nghệ nano trong xử lý ô nhiễm, hỗ trợ xây dựng chính sách thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Vật liệu nano composit ZrO2/ZnO/5%Ce có ưu điểm gì so với ZrO2 đơn thuần?**  
   Vật liệu composit có diện tích bề mặt lớn hơn (11,71 m²/g so với 7,91 m²/g), vùng hấp thụ ánh sáng mở rộng về khả kiến, và hiệu suất phân hủy MB cao hơn khoảng 7%, nhờ sự pha tạp Ce4+ và sự kết hợp ZnO.

2. **Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu nano?**  
   Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết cao, sử dụng thiết bị đơn giản, thời gian tổng hợp nhanh và hiệu quả cao.

3. **Tại sao cần chiếu sáng đèn Led trong quá trình quang xúc tác?**  
   Chiếu sáng đèn Led cung cấp photon năng lượng phù hợp kích thích electron trong vật liệu, tăng hiệu suất phân tách điện tích và nâng cao hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm.

4. **Hiệu suất phân hủy MB phụ thuộc vào những yếu tố nào?**  
   Hiệu suất phụ thuộc vào khối lượng vật liệu, nồng độ MB, nhiệt độ phản ứng, thời gian tiếp xúc và điều kiện chiếu sáng, trong đó khối lượng vật liệu và chiếu sáng có ảnh hưởng lớn nhất.

5. **Vật liệu nano composit này có thể ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm khác không?**  
   Có, vật liệu có tiềm năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ khác như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi nhờ cơ chế quang xúc tác tương tự.

## Kết luận

- Đã tổng hợp thành công vật liệu nano composit ZrO2/ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt với kích thước hạt nano đồng đều, cấu trúc đa pha ổn định.  
- Vật liệu pha tạp Ce có diện tích bề mặt lớn hơn và vùng hấp thụ ánh sáng mở rộng về vùng khả kiến, giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV xuống 3,15 eV.  
- Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen đạt trên 65% dưới chiếu sáng đèn Led 30 W với vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce, vượt trội so với vật liệu không pha tạp.  
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc ứng dụng vật liệu nano composit trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.  
- Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và tối ưu hóa quy trình tổng hợp, đồng thời triển khai thử nghiệm thực tế trong các hệ thống xử lý nước thải.

**Hành động tiếp theo:** Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các vật liệu nano composit khác.