Tổng quan nghiên cứu

Titan dioxit (TiO2) là một trong những vật liệu bán dẫn quang xúc tác được sử dụng rộng rãi nhờ tính chất quang điện tốt, giá thành thấp và thân thiện với môi trường. Theo ước tính, TiO2 có năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất năng lượng sạch. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của TiO2 còn hạn chế do sự tái tổ hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống, làm giảm hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ độc hại. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính vật liệu nano TiO2 bằng các oxit kim loại NiO và CuO nhằm nâng cao hoạt tính quang xúc tác.

Mục tiêu chính của luận văn là tổng hợp và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và CuO với các tỷ lệ phần trăm khối lượng khác nhau (0,5%; 1%; 1,5%; 3%; 5%). Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2020, với phạm vi tập trung vào việc phân tích cấu trúc tinh thể, thành phần nguyên tố và hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, góp phần nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm môi trường và ứng dụng trong sản xuất năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về cơ chế quang xúc tác trên chất bán dẫn và mô hình cấu trúc tinh thể của TiO2. Theo đó, khi TiO2 được chiếu sáng với photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm, cặp electron - lỗ trống được tạo ra. Các electron dẫn và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu, tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử, tạo ra các gốc tự do như HO● và O2-, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.

Mô hình cấu trúc tinh thể của TiO2 gồm ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite. Trong đó, anatase có khả năng khử O2 thành O2- hiệu quả hơn rutile, do đó thường được ưu tiên trong các ứng dụng quang xúc tác. Việc biến tính TiO2 bằng NiO và CuO nhằm tạo ra composite, giúp hạn chế sự tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian sống của các hạt mang điện và mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vùng cấm năng lượng (Eg)
  • Cặp electron - lỗ trống
  • Gốc tự do oxi hóa (HO●, O2-)
  • Composite quang xúc tác
  • Hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và CuO được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt kết hợp xử lý nhiệt. Các mẫu được chuẩn bị với tỷ lệ phần trăm khối lượng NiO, CuO lần lượt là 0,5%; 1%; 1,5%; 3%; 5%. Cỡ mẫu mỗi lần thí nghiệm là 50 mg vật liệu, được khảo sát trong dung dịch xanh metylen 10 mg/l.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.
  • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình dạng, kích thước hạt nano.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố.
  • Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và tính chất quang học.
  • Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ và hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh metylen dưới chiếu sáng đèn halogen 500W.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện tổng hợp, xử lý nhiệt, đo đạc và phân tích dữ liệu tại các phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc tinh thể không thay đổi khi biến tính
    Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy các mẫu TiO2 biến tính với NiO, CuO vẫn giữ cấu trúc pha anatase đặc trưng, với các đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ = 25,28°; 37,79°; 48,05°... tương ứng với các mặt tinh thể (101), (111), (200). Không phát hiện đỉnh đặc trưng của NiO, CuO do hàm lượng thấp, nhưng phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Ni và Cu trong vật liệu.

  2. Kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm
    Ảnh TEM cho thấy hạt nano TiO2 và TiO2 biến tính 5% (NiO, CuO)/TiO2 có kích thước đồng đều khoảng 30 nm, không bị ảnh hưởng bởi sự pha tạp NiO, CuO, đảm bảo tính đồng nhất về hình thái học.

  3. Khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tăng rõ rệt
    Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) cho thấy các mẫu biến tính hấp thụ mạnh hơn ánh sáng trong vùng bước sóng dài (400-800 nm) so với TiO2 nguyên bản. Mẫu 5% (NiO, CuO)/TiO2 có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh nhất, trong khi năng lượng vùng cấm Eg vẫn giữ khoảng 3,15 eV.

  4. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen cải thiện
    Thí nghiệm phân hủy xanh metylen dưới chiếu sáng đèn halogen cho thấy hiệu suất quang xúc tác tăng theo tỷ lệ NiO, CuO. Cụ thể, mẫu 0,5% đạt hiệu suất khoảng 15,7% sau 60 phút, mẫu 1% đạt 17,8%, và mẫu 5% có hiệu suất cao nhất, vượt trội so với TiO2 không biến tính.

Thảo luận kết quả

Việc biến tính TiO2 bằng NiO và CuO tạo ra composite giúp giảm thiểu sự tái tổ hợp electron - lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các hạt mang điện, từ đó tăng hiệu quả quang xúc tác. Sự gia tăng hấp thụ ánh sáng khả kiến là do sự hiện diện của các oxit kim loại chuyển tiếp, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng của vật liệu.

Kích thước hạt nano đồng đều giữ nguyên cho thấy phương pháp tẩm ướt và xử lý nhiệt được kiểm soát tốt, không làm biến đổi hình thái học vật liệu. So sánh với các nghiên cứu trước đây về pha tạp kim loại khác, kết quả này khẳng định NiO và CuO là các đồng xúc tác hiệu quả cho TiO2.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ DRS thể hiện sự dịch chuyển hấp thụ và biểu đồ hiệu suất quang xúc tác theo thời gian và tỷ lệ pha tạp, giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện hoạt tính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu tỷ lệ pha tạp NiO, CuO
    Khuyến nghị thực hiện các thí nghiệm với tỷ lệ pha tạp nhỏ hơn 0,5% và lớn hơn 5% để xác định điểm tối ưu về hiệu suất quang xúc tác, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.

  2. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp
    Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế tại các nhà máy xử lý nước thải có chứa hợp chất hữu cơ độc hại, nhằm đánh giá hiệu quả phân hủy và khả năng tái sử dụng vật liệu trong điều kiện thực tế.

  3. Phát triển vật liệu composite đa chức năng
    Khuyến khích nghiên cứu kết hợp thêm các oxit bán dẫn khác hoặc vật liệu carbon để tạo composite đa chức năng, mở rộng ứng dụng trong xử lý không khí và sản xuất năng lượng sạch.

  4. Nâng cao công nghệ tổng hợp và quy mô sản xuất
    Đề xuất cải tiến quy trình tổng hợp vật liệu theo hướng tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí và tăng tính đồng nhất, phù hợp với sản xuất công nghiệp quy mô lớn trong tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang xúc tác
    Có thể áp dụng các phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc để phát triển vật liệu mới, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu quang xúc tác phù hợp cho xử lý các chất hữu cơ độc hại trong nước thải công nghiệp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano
    Tham khảo quy trình tổng hợp và biến tính TiO2 để phát triển sản phẩm vật liệu quang xúc tác có hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu thị trường.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu
    Học tập các kỹ thuật phân tích hiện đại như XRD, TEM, EDX, DRS và phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần biến tính TiO2 bằng NiO và CuO?
    Việc biến tính giúp giảm sự tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian sống của các hạt mang điện, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu được sử dụng là gì?
    Phương pháp tẩm ướt kết hợp xử lý nhiệt được áp dụng, giúp phân bố đồng đều NiO và CuO trên bề mặt TiO2, giữ nguyên cấu trúc tinh thể và kích thước hạt nano.

  3. Hiệu suất quang xúc tác được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được tính dựa trên tỷ lệ phân hủy xanh metylen dưới chiếu sáng đèn halogen, đo bằng máy quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm.

  4. Kích thước hạt nano ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính?
    Kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng quang xúc tác diễn ra hiệu quả.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Ngoài xử lý ô nhiễm nước, vật liệu còn có tiềm năng ứng dụng trong xử lý không khí, diệt khuẩn và sản xuất năng lượng sạch như tách nước tạo hiđro.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và CuO với các tỷ lệ phần trăm khác nhau, giữ nguyên cấu trúc pha anatase đặc trưng.
  • Kích thước hạt nano đồng đều khoảng 30 nm, không bị ảnh hưởng bởi sự pha tạp NiO, CuO.
  • Vật liệu biến tính có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh hơn TiO2 nguyên bản, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.
  • Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen được cải thiện rõ rệt, đặc biệt ở mẫu 5% (NiO, CuO)/TiO2.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu tỷ lệ pha tạp, mở rộng ứng dụng thực tế và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp.

Luận văn này cung cấp nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường và phát triển năng lượng sạch. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng, độc giả được khuyến khích tiếp cận toàn văn luận văn và liên hệ với các cơ sở nghiên cứu chuyên ngành.