Nghiên Cứu Cấu Trúc và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano TiO2 Trên Nền Ống Carbon

• Tác giả: Hầu Văn Hướng
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Đức Nguyên
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano TiO2 Trên Nền Ống Carbon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ÐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. VẬT LIỆU NANO TiO2
• 1.2. Giới thiệu về vật liệu titan đioxit
• 1.3. Cấu trúc của vật liệu nano TiO2
• 1.4. Tính chất điện tử
• 1.5. Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2
• 1.6. VẬT LIỆU NANO TiO2 BIẾN TÍNH
• 1.7. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2
• 1.8. GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 1.9. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT QUANG XÚC TÁC
• 1.10. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU TRONG KHÓA LUẬN
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
• 2.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU
• 2.3. CÁC KỸ THUẬT ĐO KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
• 2.4. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY HỢP CHẤT RHODAMINE B CỦA CÁC VẬT LIỆU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. THÀNH PHẦN, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU
• 3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA CÁC VẬT LIỆU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu Nano TiO2 Ống Carbon Tổng Quan Tiềm Năng 55kt

Vật liệu TiO2 nano đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang xúc tác nhờ tính chất quang điện tốt, giá thành thấp, thân thiện môi trường và độ bền hóa học. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn tập trung nghiên cứu nâng cao hiệu suất của TiO2 bằng nhiều cách. Phản ứng oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt chất xúc tác liên quan chặt chẽ đến sự hấp phụ ion kim loại và hợp chất hữu cơ. Việc phân tán các hạt nano TiO2 trên nền ống carbon nano (MWCNTs) để tạo ra vật liệu nano composite TiO2/MWCNTs là một phương pháp hiệu quả để tăng dung lượng hấp phụ. Theo nghiên cứu, hiệu suất xử lý được cải thiện đáng kể do tính chất đặc biệt của ống carbon nano. Electron sinh ra từ hạt nano TiO2 sẽ di chuyển sang ống carbon nano, tạo điều kiện cho hạt nano TiO2 tiếp tục thực hiện chu trình sản sinh electron.

1.1. Giới thiệu Vật Liệu Titan Dioxit TiO2 Nano

Titan đioxit, còn gọi là titan (IV) oxit hoặc titania, là oxit tự nhiên của titan. TiO2 là chất rắn màu trắng, độ cứng cao và khó nóng chảy. TiO2 nano là vật liệu cơ bản trong công nghệ nano vì tính chất lý hóa, quang điện tử đặc biệt, cấu trúc bền, không độc và thân thiện với môi trường. TiO2 nano có nhiều ứng dụng trong hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo thủy tinh, men và gốm chịu nhiệt. Dạng hạt mịn kích thước nano mét có nhiều ứng dụng hơn trong pin mặt trời, sensor, quang xúc tác xử lý môi trường và vật liệu tự làm sạch.

1.2. Cấu trúc tinh thể và tính chất của TiO2 Nano

TiO2 có bốn dạng thù hình: vô định hình, anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic). Rutile là dạng bền phổ biến nhất. Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-. Pha rutile và anatase đều có cấu trúc tetragonal lần lượt chứa 6 và 12 nguyên tử tương ứng trên một ô đơn vị. Sự khác biệt trong cấu trúc ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học, đặc biệt là tính chất quang xúc tác.

II. Thách Thức Hướng Giải Quyết Hiệu Suất Quang Xúc Tác 59kt

Mặc dù TiO2 có nhiều ưu điểm, hiệu suất quang xúc tác của nó vẫn còn hạn chế do sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron - lỗ trống. Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu, bao gồm pha tạp kim loại/phi kim, tạo cấu trúc nano composite, và sử dụng vật liệu nền có diện tích bề mặt lớn. Việc sử dụng ống carbon nano (CNTs) làm nền cho TiO2 nano hứa hẹn mang lại hiệu quả cao do khả năng dẫn điện tốt, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ mạnh mẽ. Sự kết hợp giữa TiO2 và ống carbon giúp tăng cường sự phân tách điện tích và giảm thiểu sự tái hợp electron - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

2.1. Cơ chế hoạt động xúc tác quang của TiO2 Nano

Trong xúc tác quang, khi chất bán dẫn (như TiO2) bị kích thích bởi photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm, một cặp electron - lỗ trống được hình thành. Cặp electron - lỗ trống này có thể tái hợp sinh ra nhiệt, di chuyển đến bề mặt và tương tác với các chất cho và chất nhận electron. Quá trình tái hợp làm giảm hiệu suất quang xúc tác, do đó việc giảm thiểu sự tái hợp là rất quan trọng. TiO2 là một xúc tác lý tưởng vì độ bền hóa học và tính oxi hóa cao của lỗ trống sinh ra.

2.2. Biến tính TiO2 nano để tăng hiệu suất xúc tác

Nhiều phương pháp biến tính TiO2 đã được nghiên cứu để tăng cường hoạt tính quang xúc tác. Pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại nhóm đất hiếm có thể mở rộng đáp ứng quang của TiO2 vào vùng phổ khả kiến. Khi ion kim loại được kết hợp vào mạng tinh thể của TiO2, các mức năng lượng tạp chất được hình thành trong vùng cấm, giúp giảm năng lượng cần thiết để kích thích electron và tăng hiệu suất quang xúc tác.

2.3. Ưu điểm của ống carbon nano trong xúc tác quang

Ống carbon nano (CNTs) có nhiều ưu điểm vượt trội khi được sử dụng làm nền cho TiO2 trong quang xúc tác. CNTs có diện tích bề mặt rất lớn, khả năng dẫn điện cao, và tính trơ hóa học. Khi TiO2 nano được phân tán trên bề mặt CNTs, sự phân tách electron và lỗ trống được cải thiện, giảm thiểu sự tái hợp và tăng cường quá trình oxi hóa khử. CNTs cũng có khả năng hấp phụ chất ô nhiễm, giúp tập trung chất ô nhiễm gần TiO2 và tăng hiệu quả xử lý.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Nano TiO2 Ống Carbon 58kt

Việc tổng hợp vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon đòi hỏi các phương pháp kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự phân tán đồng đều của TiO2 trên bề mặt ống carbon và duy trì cấu trúc vật liệu nano. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Việc đặc trưng vật liệu nano sau khi tổng hợp là rất quan trọng để đánh giá chất lượng và hiệu quả của quá trình tổng hợp.

3.1. Phương pháp Sol Gel để tổng hợp TiO2 Ống Carbon

Phương pháp sol-gel là một phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu nano nhờ tính linh hoạt và khả năng kiểm soát kích thước hạt. Trong phương pháp này, tiền chất TiO2 (thường là alkoxide titan) được hòa tan trong dung môi và thủy phân để tạo thành sol, sau đó sol được gel hóa để tạo thành gel. Ống carbon có thể được thêm vào sol trước khi gel hóa để tạo thành vật liệu nano composite. Quá trình nung kết sau đó sẽ loại bỏ dung môi và tạo thành TiO2/ ống carbon.

3.2. Phương pháp Thủy nhiệt tổng hợp vật liệu composite

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp tổng hợp vật liệu nano trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và hình dạng của hạt TiO2. Ống carbon có thể được phân tán trong dung dịch tiền chất TiO2 và sau đó được xử lý thủy nhiệt để tạo thành vật liệu nano composite. Điều kiện thủy nhiệt có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu nano và tính chất quang xúc tác.

IV. Đặc Trưng Cấu Trúc Vật Liệu Nano TiO2 Ống Carbon 56kt

Để đánh giá chất lượng và hiệu quả của vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon, các kỹ thuật đặc trưng vật liệu nano như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và phổ hấp thụ UV-Vis được sử dụng. Nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và kích thước hạt. Hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát trực tiếp hình thái và sự phân tán của TiO2 trên bề mặt ống carbon. Phổ hấp thụ UV-Vis cung cấp thông tin về khả năng hấp thụ ánh sáng và vùng cấm năng lượng của vật liệu nano.

4.1. Nhiễu xạ tia X XRD để phân tích cấu trúc

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật quan trọng để xác định cấu trúc vật liệu nano. Phân tích XRD cho phép xác định các pha tinh thể, kích thước hạt tinh thể và độ tinh khiết của vật liệu. Dữ liệu XRD có thể được sử dụng để xác định sự hình thành của TiO2 và sự có mặt của ống carbon trong vật liệu nano composite. Sự thay đổi trong mẫu nhiễu xạ có thể chỉ ra sự tương tác giữa TiO2 và ống carbon.

4.2. Hiển vi điện tử truyền qua TEM quan sát hình thái

Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một kỹ thuật mạnh mẽ để quan sát hình thái và cấu trúc vật liệu nano ở độ phân giải cao. Ảnh TEM cho phép xác định kích thước và hình dạng của hạt TiO2, sự phân tán của TiO2 trên bề mặt ống carbon, và sự tồn tại của các khuyết tật cấu trúc. Ảnh TEM cung cấp thông tin quan trọng về sự hình thành và chất lượng của vật liệu nano composite.

4.3. Phổ hấp thụ UV Vis đánh giá tính chất quang

Phổ hấp thụ UV-Vis là một kỹ thuật quan trọng để đánh giá tính chất quang xúc tác của vật liệu nano. Phân tích UV-Vis cho phép xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, từ đó đánh giá khả năng kích thích quang của TiO2. Sự thay đổi trong phổ hấp thụ có thể chỉ ra sự tương tác giữa TiO2 và ống carbon và ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác.

V. Ứng Dụng Vật Liệu TiO2 Ống Carbon Xử Lý Ô Nhiễm 57kt

Vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải và phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Hoạt tính quang xúc tác của TiO2 kết hợp với khả năng hấp phụ của ống carbon giúp tăng cường hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm khó phân hủy. Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon có thể phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và các hợp chất hữu cơ độc hại khác.

5.1. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B

Một trong những ứng dụng chính của vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon là phân hủy chất ô nhiễm Rhodamine B (RhB). RhB là một loại thuốc nhuộm hữu cơ thường được sử dụng trong ngành dệt may và có thể gây ô nhiễm môi trường nước. Nghiên cứu khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon cho thấy hiệu quả phân hủy RhB cao hơn so với TiO2 nano đơn thuần.

5.2. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp

Vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy. Các chất ô nhiễm này thường tồn tại trong nước thải từ các ngành công nghiệp dệt may, hóa chất, và dược phẩm. Việc sử dụng vật liệu xúc tác quang giúp phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại, góp phần bảo vệ môi trường.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Nano Composite 60kt

Vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon là một vật liệu hứa hẹn với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là quang xúc tác và xử lý môi trường. Nghiên cứu và phát triển vật liệu này vẫn đang tiếp tục, với mục tiêu nâng cao hiệu suất quang xúc tác, giảm giá thành và mở rộng ứng dụng. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm tối ưu hóa phương pháp tổng hợp, pha tạp vật liệu với các nguyên tố khác, và phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực như năng lượng mặt trời và cảm biến.

6.1. Tối ưu hóa phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác quang

Việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp vật liệu nano là rất quan trọng để đạt được cấu trúc vật liệu nano mong muốn và hiệu suất quang xúc tác cao. Các yếu tố cần xem xét bao gồm lựa chọn tiền chất, điều kiện phản ứng, và tỷ lệ giữa TiO2 và ống carbon. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu tiềm năng và ứng dụng mở rộng

Ngoài các ứng dụng hiện tại, vật liệu nano composite TiO2/ ống carbon có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, chẳng hạn như ứng dụng năng lượng mặt trời. nghiên cứu về ứng dụng năng lượng mặt trời như pin mặt trời và các thiết bị quang điện. Sự kết hợp của TiO2 nano và ống carbon nano có thể cải thiện hiệu quả hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất của các thiết bị năng lượng mặt trời.

Tổng quan nghiên cứu

Titan đioxit (TiO2) là một trong những vật liệu bán dẫn quang xúc tác được nghiên cứu rộng rãi nhất do tính chất quang điện tử ưu việt, giá thành thấp và thân thiện với môi trường. Từ khi được phát hiện vào năm 1972, TiO2 đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý môi trường, sản xuất sơn tự làm sạch, và điều chế hydro từ phân hủy nước. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của TiO2 còn hạn chế do hiện tượng tái tổ hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống và khả năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ trên bề mặt chưa tối ưu. Để khắc phục, việc biến tính TiO2 bằng cách kết hợp với ống nano cacbon đa lớp (MWCNTs) đã được đề xuất nhằm tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp phụ và tăng hiệu quả chuyển giao điện tử.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon MWCNTs với các tỉ lệ khối lượng khác nhau (3:1; 5:1; 8:1). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian năm 2017 tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển vật liệu quang xúc tác có hiệu suất cao hơn trong xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại như Rhodamine B và metyl da cam, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về vật liệu bán dẫn quang xúc tác, đặc biệt là cơ chế tạo cặp electron - lỗ trống khi TiO2 hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn vùng cấm (Eg ≈ 3,2 eV). Các electron kích thích lên vùng dẫn (CB) và lỗ trống ở vùng hóa trị (VB) tham gia vào các phản ứng oxi hóa - khử trên bề mặt vật liệu, tạo ra các gốc tự do như HO● và O2ˉ có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, mô hình composite TiO2/MWCNTs được áp dụng nhằm tận dụng khả năng dẫn điện và diện tích bề mặt lớn của ống cacbon để giảm thiểu tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu quả quang xúc tác.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

• Vùng cấm năng lượng (Eg) và sự kích thích electron trong vật liệu bán dẫn.
• Cơ chế quang xúc tác tạo gốc tự do oxi hóa mạnh.
• Ảnh hưởng của cấu trúc composite TiO2/MWCNTs đến sự chuyển giao điện tử và hấp phụ chất hữu cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nano TiO2 và TiO2/MWCNTs được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các tỉ lệ khối lượng TiO2 và MWCNTs lần lượt là 3:1, 5:1 và 8:1. Cỡ mẫu vật liệu mỗi lần khảo sát khoảng 50-100 mg, dung dịch Rhodamine B và metyl da cam nồng độ 10 mg/L được sử dụng làm chất hữu cơ mẫu.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và kích thước hạt.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố.
• Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái và kích thước hạt nano.
• Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và xác định năng lượng vùng cấm.
• Thí nghiệm quang xúc tác phân hủy Rhodamine B và metyl da cam dưới chiếu sáng đèn halogen 500 W, đo nồng độ chất hữu cơ theo thời gian bằng máy quang phổ UV-Vis.

Thời gian nghiên cứu tổng thể kéo dài khoảng 6 tháng, trong đó quá trình tổng hợp và khảo sát cấu trúc chiếm 2 tháng, thí nghiệm quang xúc tác và phân tích dữ liệu chiếm 4 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và thành phần vật liệu
   Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy các mẫu TiO2 và TiO2/MWCNTs đều có pha anatase đặc trưng với các đỉnh tại góc 2θ = 25,28°; 37,79°; 48,05°, tương ứng với các mặt tinh thể (101), (111), (200). Không phát hiện đỉnh nhiễu xạ riêng biệt của MWCNTs do trùng lặp với đỉnh TiO2, nhưng phổ EDX xác nhận sự hiện diện của nguyên tố C, Ti, O trong vật liệu composite. Kích thước hạt TiO2 khoảng 5 nm, phân bố đều trên ống cacbon có đường kính ~40 nm.

2. Khả năng hấp thụ ánh sáng
   Phổ DRS cho thấy TiO2 tinh khiết hấp thụ mạnh ở bước sóng dưới 400 nm (vùng tử ngoại), với năng lượng vùng cấm Eg ≈ 3,1 eV. Các mẫu TiO2/MWCNTs thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (400-800 nm) tăng dần theo hàm lượng MWCNTs, mở rộng phổ hấp thụ và tiềm năng sử dụng ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn.

3. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B và metyl da cam
   Sau 180 phút chiếu sáng đèn halogen 500 W, hiệu suất phân hủy Rhodamine B đạt khoảng 31%, trong khi metyl da cam đạt khoảng 37% với vật liệu TiO2/MWCNTs tỉ lệ 5:1. Thời gian cân bằng hấp phụ Rhodamine B trên vật liệu là khoảng 30 phút, đảm bảo loại trừ ảnh hưởng hấp phụ trong đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

4. Cơ chế quang xúc tác
   Sự kết hợp TiO2 với MWCNTs giúp chuyển giao electron hiệu quả từ TiO2 sang ống cacbon, giảm thiểu tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian sống của các hạt mang điện. Các gốc HO● và O2ˉ sinh ra từ phản ứng quang xúc tác có khả năng oxi hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và nước.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang xúc tác của TiO2/MWCNTs vượt trội so với TiO2 tinh khiết nhờ sự gia tăng diện tích bề mặt và khả năng dẫn điện của ống cacbon, phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu composite quang xúc tác. Việc mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến giúp tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng mặt trời, khắc phục hạn chế của TiO2 truyền thống chỉ hấp thụ tia tử ngoại.

Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy Rhodamine B và metyl da cam theo thời gian chiếu sáng minh họa rõ sự tăng hiệu quả của vật liệu composite. Bảng phân tích XRD và TEM hỗ trợ xác nhận cấu trúc và kích thước hạt phù hợp với mục tiêu tổng hợp.

Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả cho ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ độc hại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỉ lệ TiO2/MWCNTs
   Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các tỉ lệ khác nhau để xác định tỉ lệ tối ưu nhằm cân bằng giữa khả năng hấp thụ ánh sáng và diện tích bề mặt, nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Thời gian thực hiện dự kiến 3-6 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu thực hiện.

2. Nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến
   Đề xuất pha tạp thêm các nguyên tố phi kim hoặc kim loại chuyển tiếp vào TiO2/MWCNTs để mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu quả sử dụng ánh sáng mặt trời. Thời gian nghiên cứu 6-9 tháng, phối hợp với nhóm hóa vô cơ.

3. Ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế
   Khuyến nghị thử nghiệm vật liệu trong điều kiện nước thải thực tế tại các khu công nghiệp hoặc đô thị để đánh giá hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ phức tạp. Thời gian khảo sát 6 tháng, phối hợp với các đơn vị quản lý môi trường.

4. Phát triển vật liệu dạng màng hoặc sơn quang xúc tác
   Đề xuất nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2/MWCNTs dưới dạng màng mỏng hoặc sơn tự làm sạch để ứng dụng trong xử lý không khí và bề mặt công trình. Thời gian thực hiện 9-12 tháng, phối hợp với ngành công nghiệp vật liệu xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và quang xúc tác
   Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc để phát triển vật liệu composite 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 hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu quang xúc tác và sơn tự làm sạch
   Áp dụng công nghệ tổng hợp TiO2/MWCNTs để phát triển sản phẩm mới có hiệu quả cao, thân thiện môi trường.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu
   Tham khảo quy trình tổng hợp, kỹ thuật phân tích và đánh giá hoạt tính quang xúc tác làm tài liệu học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn ống nano cacbon MWCNTs làm nền cho TiO2?
   MWCNTs có diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện tốt và bền hóa học, giúp giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu quả quang xúc tác của TiO2.

2. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu?
   Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt, pha tinh thể và phân bố đồng đều các thành phần trong vật liệu composite, phù hợp với tổng hợp vật liệu nano.

3. Hiệu suất quang xúc tác được đánh giá như thế nào?
   Hiệu suất được tính dựa trên tỷ lệ phần trăm giảm nồng độ chất hữu cơ (Rhodamine B, metyl da cam) sau thời gian chiếu sáng, đo bằng phổ UV-Vis.

4. Ảnh hưởng của tỉ lệ TiO2/MWCNTs đến hoạt tính quang xúc tác ra sao?
   Tỉ lệ 5:1 cho hiệu suất phân hủy cao nhất, do cân bằng tốt giữa diện tích bề mặt TiO2 và khả năng dẫn điện của MWCNTs, giúp tăng cường chuyển giao điện tử.

5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế không?
   Có, vật liệu TiO2/MWCNTs có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, phù hợp để xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt, tuy nhiên cần thử nghiệm thêm trong điều kiện thực tế.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 và composite TiO2/MWCNTs với các tỉ lệ 3:1, 5:1, 8:1 bằng phương pháp thủy nhiệt.
• Xác định cấu trúc anatase của TiO2 và sự phân bố đồng đều của hạt nano trên ống cacbon qua XRD, EDX và TEM.
• Mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến nhờ sự có mặt của MWCNTs, tăng hiệu quả quang xúc tác.
• Hiệu suất phân hủy Rhodamine B đạt 31% và metyl da cam đạt 37% sau 180 phút chiếu sáng với vật liệu TiO2/MWCNTs tỉ lệ 5:1.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu tỉ lệ vật liệu, pha tạp nguyên tố và ứng dụng thực tế trong xử lý môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần giải quyết ô nhiễm nước và không khí.