Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ độc hại ngày càng gia tăng, việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả, kinh tế và thân thiện môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo báo cáo của ngành, các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học truyền thống vẫn còn nhiều hạn chế như hiệu suất thấp và chi phí cao. Do đó, vật liệu xúc tác quang đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ tính đơn giản, ổn định hóa học và hiệu suất cao trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Trong đó, vật liệu perovskit BaTiO3 nổi bật với cấu trúc ABO3 đặc trưng, có tính chất điện môi và quang xúc tác ưu việt, đặc biệt trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, để mở rộng ứng dụng trong vùng ánh sáng khả kiến, việc biến tính BaTiO3 bằng các vật liệu bán dẫn khác như graphit cacbon nitrua (g-C3N4) là cần thiết.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit BaTiO3 bằng g-C3N4 nhằm tạo ra vật liệu composit có hoạt tính xúc tác quang cao trong vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt ở các nhiệt độ 180, 200 và 220⁰C, tổng hợp g-C3N4 từ urê bằng phương pháp nung, và tạo composit g-C3N4/BaTiO3 bằng phương pháp tẩm ướt. Hoạt tính xúc tác quang được khảo sát qua phản ứng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phát triển vật liệu xúc tác quang có hiệu suất cao, ổn định, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ độc hại, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế hoạt động và phương pháp tổng hợp vật liệu composit perovskit biến tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng điện tử của vật liệu bán dẫn, trong đó năng lượng vùng cấm (Eg) quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron – lỗ trống quang sinh. Vật liệu BaTiO3 có năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, phù hợp với ánh sáng tử ngoại, trong khi g-C3N4 có năng lượng vùng cấm thấp hơn khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến. Sự kết hợp hai vật liệu này tạo thành composit giúp giảm quá trình tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng thời gian tồn tại các hạt mang điện tích, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

Mô hình cơ chế xúc tác quang hóa dị thể được áp dụng, trong đó photon kích thích electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các cặp electron – lỗ trống. Các hạt này tham gia phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu, sinh ra các gốc tự do như •OH, •O2ˉ có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Khái niệm vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 được sử dụng để mô tả sự kết hợp vật lý và hóa học giữa hai thành phần nhằm cải thiện hoạt tính xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Năng lượng vùng cấm (Eg)
  • Cặp electron – lỗ trống quang sinh
  • Quá trình tái kết hợp điện tích
  • Vật liệu perovskit ABO3
  • Vật liệu bán dẫn phi kim loại g-C3N4

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, gồm BaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ Ba(NO3)2, propan-2-ol và TiCl4 ở các nhiệt độ 180, 200, 220⁰C trong 48 giờ; g-C3N4 được tổng hợp từ urê bằng phương pháp nung ở 550⁰C trong 2 giờ; và vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 được tạo thành bằng phương pháp tẩm ướt với tỷ lệ g-C3N4 chiếm 10% khối lượng.

Phương pháp phân tích vật liệu bao gồm:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha vật liệu.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.
  • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS) để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.
  • Phổ hồng ngoại (IR) để xác định các liên kết hóa học trong vật liệu.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

Hoạt tính xúc tác quang được đánh giá qua khả năng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến từ đèn sợi tóc 220V – 60W. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 7 giờ với các mẫu thử khác nhau.

Cỡ mẫu vật liệu xúc tác là 0,03 g, thể tích dung dịch MB 80 mL, nồng độ MB ban đầu 5 mg/L. Thời gian hấp phụ cân bằng được khảo sát trong bóng tối trước khi chiếu sáng để đảm bảo sự ổn định của quá trình hấp phụ – giải hấp phụ. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu định kỳ theo thời gian để đo nồng độ MB còn lại, từ đó tính toán hiệu suất phân hủy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến cấu trúc và hoạt tính BaTiO3
    Giản đồ XRD cho thấy BaTiO3 được tổng hợp ở 200⁰C (BTO-200) có cấu trúc tinh thể ổn định và tinh thể có kích thước hạt trung bình khoảng 30 nm. Mẫu BTO-200 đạt hiệu suất phân hủy xanh metylen lên đến 99,2% sau 7 giờ chiếu sáng, cao hơn so với mẫu BTO-180 và BTO-220 với hiệu suất lần lượt khoảng 85% và 78%. Điều này chứng tỏ nhiệt độ thủy nhiệt 200⁰C là điều kiện tối ưu để tổng hợp BaTiO3 có hoạt tính xúc tác quang tốt nhất.

  2. Đặc trưng vật liệu g-C3N4 và composit g-C3N4/BaTiO3
    Phổ UV-Vis DRS cho thấy g-C3N4 hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến đến 460 nm với năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV. Vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 10% có vùng hấp thụ mở rộng hơn so với BaTiO3 đơn lẻ, năng lượng vùng cấm giảm nhẹ, giúp tăng khả năng kích thích quang sinh dưới ánh sáng khả kiến.

  3. Hiệu suất xúc tác quang của vật liệu composit
    Mẫu g-C3N4/BaTiO3 10% đạt hiệu suất phân hủy MB khoảng 92% sau 7 giờ chiếu sáng, vượt trội hơn so với BaTiO3 (85%) và g-C3N4 (60%) riêng lẻ. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian cho thấy tốc độ phân hủy của composit nhanh hơn khoảng 8-10% so với BaTiO3. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood được áp dụng, hằng số tốc độ phản ứng của composit cao hơn 1,5 lần so với BaTiO3.

  4. Ảnh hưởng các yếu tố thực nghiệm

  • Nồng độ MB ban đầu tăng từ 5 mg/L lên 20 mg/L làm giảm hiệu suất phân hủy từ 92% xuống còn khoảng 70% do bão hòa hấp phụ.
  • Cường độ nguồn sáng tăng từ 40W lên 100W làm tăng hiệu suất phân hủy từ 75% lên 92%.
  • pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt, pH tối ưu là khoảng 7-8, tại đó hiệu suất phân hủy đạt cao nhất, giảm ở pH quá axit hoặc kiềm do ảnh hưởng đến điểm điện tích bề mặt vật liệu.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất xúc tác quang cao của BaTiO3 tổng hợp ở 200⁰C được giải thích bởi cấu trúc tinh thể đồng nhất, kích thước hạt nano phù hợp, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và giảm tái kết hợp electron – lỗ trống. So với các nghiên cứu trước, kết quả này tương đồng với báo cáo cho thấy nhiệt độ thủy nhiệt ảnh hưởng lớn đến hình thái và hoạt tính của BaTiO3.

Việc biến tính BaTiO3 bằng g-C3N4 tạo ra hiệu ứng "bẫy electron", làm giảm quá trình tái kết hợp electron – lỗ trống, kéo dài thời gian tồn tại các hạt mang điện tích, từ đó tăng sinh các gốc tự do oxy hóa mạnh như •OH, •O2ˉ. Điều này được minh chứng qua phổ UV-Vis DRS và kết quả phân hủy MB. So sánh với các vật liệu composit khác như g-C3N4/SrTiO3 hay g-C3N4/CaTiO3, composit g-C3N4/BaTiO3 cũng thể hiện hiệu suất xúc tác quang cao, phù hợp cho ứng dụng xử lý ô nhiễm nước.

Ảnh hưởng của các yếu tố thực nghiệm như nồng độ MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch phù hợp với các cơ chế quang xúc tác đã được công nhận, cho thấy tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, đồ thị Langmuir-Hinshelwood và biểu đồ ảnh hưởng pH để minh họa rõ ràng các xu hướng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp BaTiO3
    Khuyến nghị duy trì nhiệt độ thủy nhiệt ở 200⁰C trong 48 giờ để đảm bảo cấu trúc tinh thể và kích thước hạt tối ưu, nâng cao hiệu suất xúc tác quang. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu, thời gian: ngay lập tức trong các dự án tiếp theo.

  2. Phát triển vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 với tỷ lệ biến đổi
    Khuyến khích nghiên cứu thêm các tỷ lệ g-C3N4 khác nhau (5%, 15%) để xác định tỷ lệ tối ưu cho hiệu suất xúc tác cao nhất, đồng thời khảo sát tính ổn định lâu dài. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu, thời gian: 6-12 tháng.

  3. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải thực tế
    Đề xuất thử nghiệm vật liệu trong các hệ xử lý nước thải công nghiệp hoặc sinh hoạt có chứa hợp chất hữu cơ để đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm xử lý môi trường, thời gian: 1-2 năm.

  4. Nâng cao hiệu quả xúc tác bằng kỹ thuật bổ trợ
    Khuyến nghị kết hợp vật liệu composit với các phương pháp như chiếu sáng bằng đèn LED công suất cao, hoặc pha tạp thêm các kim loại quý để tăng cường hoạt tính xúc tác. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm chuyên sâu, thời gian: 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu xúc tác quang
    Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phương pháp tổng hợp, đặc trưng vật liệu và cơ chế hoạt động, hỗ trợ phát triển các vật liệu xúc tác mới.

  2. Chuyên gia xử lý môi trường nước
    Thông tin về hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 giúp lựa chọn giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu
    Tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano, phương pháp phân tích đặc trưng và đánh giá hoạt tính xúc tác quang.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước
    Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm xúc tác quang ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước, nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu BaTiO3 có ưu điểm gì trong xúc tác quang?
    BaTiO3 có cấu trúc perovskit ổn định, năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, tính chất điện môi và khả năng tạo ra các cặp electron – lỗ trống hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, giúp phân hủy các chất hữu cơ trong nước.

  2. Tại sao cần biến tính BaTiO3 bằng g-C3N4?
    g-C3N4 có năng lượng vùng cấm thấp hơn, hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, khi kết hợp với BaTiO3 giúp giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến.

  3. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp BaTiO3?
    Phương pháp thủy nhiệt tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt đồng nhất, cấu trúc tinh thể tốt, dễ kiểm soát hình thái và kích thước hạt, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác.

  4. Hiệu suất phân hủy xanh metylen được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được tính dựa trên sự giảm nồng độ xanh metylen trong dung dịch theo thời gian chiếu sáng, đo bằng phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm, phản ánh khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ của vật liệu xúc tác.

  5. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu?
    Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu, cường độ ánh sáng, pH dung dịch, tỷ lệ thành phần trong vật liệu composit và điều kiện tổng hợp đều ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác quang.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu perovskit BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt với điều kiện tối ưu là 200⁰C trong 48 giờ, đạt hiệu suất phân hủy xanh metylen lên đến 99,2%.
  • Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp từ urê bằng phương pháp nung ở 550⁰C, có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến.
  • Vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 10% thể hiện hiệu suất xúc tác quang cao hơn so với các thành phần riêng lẻ, đạt khoảng 92% phân hủy xanh metylen sau 7 giờ chiếu sáng.
  • Các yếu tố như nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng và pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xúc tác quang.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả trong xử lý ô nhiễm nước, đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa tỷ lệ composit, thử nghiệm ứng dụng thực tế và nâng cao hiệu quả xúc tác bằng các kỹ thuật bổ trợ.

Quý độc giả và nhà nghiên cứu quan tâm có thể áp dụng các kết quả và phương pháp trong luận văn để phát triển các vật liệu xúc tác quang mới, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.