Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc tìm kiếm các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để xử lý các chất hữu cơ độc hại trong nước thải là một nhu cầu cấp thiết. Vật liệu nano TiO(_2) được biết đến với khả năng quang xúc tác mạnh mẽ dưới ánh sáng tử ngoại, tuy nhiên hiệu suất quang xúc tác của TiO(_2) tinh khiết còn hạn chế do hiện tượng tái tổ hợp electron - lỗ trống và sự tán xạ electron tự do. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO(_2) biến tính bằng oxit kim loại Fe(_2)O(_3) và CuO nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn năm 2020 tại Đại học Thái Nguyên, tập trung vào các mẫu vật liệu với hàm lượng biến tính từ 0,5% đến 5% theo khối lượng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như metyl xanh, góp phần phát triển các giải pháp xử lý môi trường thân thiện và hiệu quả hơn. Các chỉ số hiệu suất quang xúc tác được đánh giá thông qua tỷ lệ phân hủy metyl xanh dưới chiếu sáng đèn halogen 500W, với thời gian khảo sát lên đến 120 phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Cấu trúc tinh thể và tính chất điện tử của TiO(_2): TiO(_2) tồn tại chủ yếu ở hai pha anatase và rutile với cấu trúc tinh thể tứ diện, trong đó anatase có độ rộng vùng cấm năng lượng khoảng 3,25 eV, phù hợp cho hoạt động quang xúc tác. Sự biến dạng nhẹ của khối bát diện TiO(_6) và khoảng cách liên kết Ti-O ảnh hưởng đến tính chất quang điện tử của vật liệu.

  • Cơ chế quang xúc tác trên TiO(_2): Dưới tác dụng ánh sáng tử ngoại, electron từ vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn tạo ra electron và lỗ trống, các hạt này tương tác với nước và oxy tạo ra các gốc tự do như HO●, O(_2^-), H(_2)O(_2) có khả năng oxy hóa mạnh các chất hữu cơ.

  • Pha tạp và biến tính TiO(_2): Việc pha tạp các ion kim loại (Fe, Cu) và phi kim nhằm thu hẹp vùng cấm năng lượng, giảm sự tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng tốc độ di chuyển hạt tải điện và mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến. Mô hình composite TiO(_2) - (CuO, Fe(_2)O(_3)) giúp tăng cường hiệu suất quang xúc tác nhờ chất đồng xúc tác hạn chế tái tổ hợp.

  • Khái niệm chính: vùng cấm năng lượng (band gap), electron dẫn (e({CB}^-)), lỗ trống (h({VB}^+)), gốc tự do oxy hóa (HO●), hiệu suất quang xúc tác (H%).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu TiO(_2) thương mại được biến tính bằng dung dịch Cu(NO(_3))(_2) 0,1M và Fe(NO(_3))(_3) 0,1M theo tỷ lệ phần trăm khối lượng 0,5%; 1%; 1,5%; 3%; 5%. Các mẫu được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt, sấy khô ở 80°C trong 12 giờ và nung ở 500°C trong 4 giờ.

  • Phương pháp phân tích:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Xác định thành phần nguyên tố.
    • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái, kích thước hạt nano.
    • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS): Xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm.
    • Phân tích quang phổ UV-Vis: Đo nồng độ metyl xanh trong dung dịch để đánh giá hiệu suất quang xúc tác.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong vòng 6 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp, xử lý nhiệt, phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi mẫu vật liệu được chuẩn bị với các hàm lượng biến tính khác nhau để so sánh ảnh hưởng của tỷ lệ CuO và Fe(_2)O(_3) đến hoạt tính quang xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc tinh thể giữ nguyên pha anatase: Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy tất cả các mẫu TiO(_2) biến tính với 0,5% đến 5% (CuO, Fe(_2)O(_3)) vẫn duy trì cấu trúc pha anatase đặc trưng với các đỉnh tại 2θ = 25,28°; 37,79°; 48,05°, không xuất hiện đỉnh đặc trưng của CuO hay Fe(_2)O(_3), chứng tỏ sự biến tính không làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể TiO(_2).

  2. Sự hiện diện của Cu và Fe được xác nhận qua phổ EDX: Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) xác nhận sự có mặt của nguyên tố Cu và Fe trong các mẫu biến tính, tỷ lệ nguyên tố tăng theo phần trăm pha tạp, phù hợp với thiết kế tổng hợp.

  3. Kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm: Ảnh TEM cho thấy các hạt nano TiO(_2) và vật liệu biến tính 5% (CuO, Fe(_2)O(_3))/TiO(_2) có kích thước đồng đều, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự pha tạp, duy trì hình thái hạt nano ổn định.

  4. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy metyl xanh tăng rõ rệt: Mẫu vật liệu biến tính 1,5% (CuO, Fe(_2)O(_3))/TiO(_2) đạt hiệu suất phân hủy metyl xanh lên đến khoảng 85% sau 120 phút chiếu sáng, cao hơn khoảng 30% so với TiO(_2) nguyên bản. Hiệu suất giảm nhẹ khi hàm lượng biến tính vượt quá 3%, do hiện tượng tái tổ hợp electron tăng.

Thảo luận kết quả

Việc duy trì cấu trúc anatase của TiO(_2) sau khi biến tính cho thấy phương pháp tẩm ướt và xử lý nhiệt đã thành công trong việc tạo composite mà không phá vỡ mạng tinh thể. Sự hiện diện của Cu và Fe trong phổ EDX khẳng định các ion kim loại đã được pha tạp thành công, tạo ra các mức năng lượng tạp giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng, mở rộng phổ hấp thụ sang vùng khả kiến. Kích thước hạt nano ổn định khoảng 30 nm là yếu tố quan trọng giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Hiệu suất quang xúc tác tăng lên đáng kể nhờ sự giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống do các ion Cu và Fe hoạt động như bẫy điện tử và lỗ trống, đồng thời tăng tốc độ di chuyển hạt tải điện. Tuy nhiên, khi hàm lượng biến tính quá cao (>3%), các ion kim loại có thể trở thành tâm tái hợp, làm giảm hiệu quả quang xúc tác. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp kim loại chuyển tiếp trong TiO(_2).

Dữ liệu hiệu suất quang xúc tác có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân hủy metyl xanh theo thời gian chiếu sáng cho từng mẫu, giúp trực quan hóa sự khác biệt hiệu quả giữa các mẫu biến tính và mẫu gốc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng biến tính: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng biến tính CuO và Fe(_2)O(_3) trong khoảng 1,0% đến 1,5% để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, giảm thiểu hiện tượng tái tổ hợp điện tử, thời gian áp dụng trong các quy trình xử lý nước thải công nghiệp.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Áp dụng phương pháp tẩm ướt kết hợp xử lý nhiệt để sản xuất vật liệu composite TiO(_2) biến tính với chi phí hợp lý, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của vật liệu, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  3. Ứng dụng trong xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ độc hại: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm hoặc công nghiệp hóa chất, tập trung vào phân hủy các chất màu và hợp chất azo, với mục tiêu giảm nồng độ ô nhiễm xuống dưới ngưỡng cho phép trong vòng 24-48 giờ.

  4. Nghiên cứu mở rộng về các chất đồng xúc tác khác: Đề xuất nghiên cứu thêm các oxit kim loại khác hoặc kết hợp đa pha tạp để nâng cao hiệu quả quang xúc tác, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng và pH dung dịch đến hoạt tính vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano TiO(_2) biến tính, phương pháp phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý môi trường: Thông tin về hiệu suất quang xúc tác và ứng dụng trong xử lý nước thải hữu cơ giúp các chuyên gia thiết kế và cải tiến công nghệ xử lý môi trường hiệu quả hơn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác: Các quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu nano TiO(_2) có thể được áp dụng để phát triển sản phẩm mới phục vụ thị trường xử lý môi trường và năng lượng sạch.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và khuyến khích ứng dụng các vật liệu quang xúc tác trong các chương trình bảo vệ môi trường, góp phần xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải biến tính TiO(_2) bằng CuO và Fe(_2)O(_3)?
    Việc biến tính giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng của TiO(_2), mở rộng phổ hấp thụ sang ánh sáng khả kiến và giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Phương pháp tẩm ướt kết hợp xử lý nhiệt được sử dụng đơn giản, dễ thực hiện và có thể mở rộng quy mô sản xuất, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và công nghiệp.

  3. Hiệu suất quang xúc tác được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được tính dựa trên tỷ lệ phân hủy metyl xanh trong dung dịch dưới chiếu sáng đèn halogen, đo bằng phổ UV-Vis, phản ánh khả năng phân hủy các chất hữu cơ độc hại.

  4. Kích thước hạt nano ảnh hưởng ra sao đến hoạt tính?
    Kích thước hạt nano khoảng 30 nm giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, tạo nhiều vị trí phản ứng, đồng thời duy trì tính ổn định cấu trúc, góp phần nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Vật liệu có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ như thuốc nhuộm, chất màu, với khả năng phân hủy nhanh và hiệu quả, phù hợp cho các hệ thống xử lý quy mô vừa và nhỏ.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO(_2) biến tính bằng CuO và Fe(_2)O(_3) với cấu trúc pha anatase ổn định và kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm.
  • Sự pha tạp CuO và Fe(_2)O(_3) làm tăng hiệu suất quang xúc tác phân hủy metyl xanh lên đến khoảng 85% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội so với TiO(_2) nguyên bản.
  • Hiệu suất quang xúc tác đạt tối ưu ở hàm lượng biến tính 1,0% - 1,5%, vượt quá mức này hiệu quả giảm do tăng tái tổ hợp electron.
  • Phương pháp tổng hợp tẩm ướt và xử lý nhiệt đơn giản, có thể áp dụng mở rộng quy mô sản xuất vật liệu composite.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng các loại chất đồng xúc tác và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển các sản phẩm vật liệu quang xúc tác thân thiện môi trường. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với khoa Hóa học, Đại học Thái Nguyên.