Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit BaTiO3 Kết Hợp g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Kim
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit BaTiO3 Kết Hợp g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 1.1.1. Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng
• 1.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
• 1.1.3. GIỚI THIỆU VỀ BARI TITANAT
• 1.1.3.1. Đặc điểm cấu trúc của bari titanat
• 1.1.3.2. Phương pháp tổng hợp BaTiO3
• 1.1.3.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của BaTiO3
• 1.1.4. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHIT CACBON NITRUA (g-C3N4)
• 1.1.4.1. Đặc điểm cấu tạo
• 1.1.4.2. Phương pháp tổng hợp và tình hình nghiên cứu của g-C3N4
• 1.1.5. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSIT g-C3N4/BaTiO3
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC
• 2.1.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ urê
• 2.1.2. Tổng hợp vật liệu perovskit BaTiO3
• 2.1.3. Tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray)
• 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.3. Phương pháp phổ tán xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis-DRS)
• 2.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.5. Phương pháp phổ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
• 2.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 2.3.3. Phân tích định lượng xanh metylen
• 2.3.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƯNG VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU PEROVSKIT BaTiO3
• 3.1.1. Đặc trưng vật liệu
• 3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.1.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.1.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 3.1.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis–DRS)
• 3.1.7. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3.2. ĐẶC TRƯNG VÀ HOẠT TÍNH XÚC QUANG TÁC VẬT LIỆU COMPOSIT g-C3N4/BaTiO3
• 3.2.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/BaTiO3
• 3.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.2.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 3.2.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis–DRS)
• 3.2.7. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3
• 3.2.8. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.2.9. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của mẫu vật liệu g-C3N4/BaTiO3 x%
• 3.2.10. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu g-C3N4/BaTiO3 x%
• 3.2.10.1. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB
• 3.2.10.2. Ảnh hưởng của cường độ nguồn sáng
• 3.2.10.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.2.11. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác
• CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Vật Liệu Perovskit BaTiO3 và g C3N4

Nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang ngày càng trở nên quan trọng do nhu cầu xử lý ô nhiễm môi trường. Các phương pháp xử lý truyền thống có nhiều hạn chế, do đó, việc sử dụng chất xúc tác quang với ánh sáng mặt trời là một giải pháp đầy hứa hẹn. Vật liệu perovskit, đặc biệt là BaTiO3, thu hút sự chú ý vì tính chất độc đáo như tính điện môi và từ tính cao. Graphitic carbon nitride (g-C3N4), một chất bán dẫn phi kim loại, cũng được quan tâm do khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tính thân thiện với môi trường. Sự kết hợp giữa BaTiO3 và g-C3N4 hứa hẹn tạo ra vật liệu nano composite hiệu quả, tận dụng ưu điểm của cả hai.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Perovskit BaTiO3

BaTiO3 (BTO) là một vật liệu perovskit điển hình với nhiều ứng dụng trong tụ điện, cảm biến và ứng dụng năng lượng mặt trời. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng rộng rãi để tổng hợp BTO do khả năng kiểm soát kích thước và hình thái hạt. Sự thay đổi thành phần hóa học hoặc cấu trúc tinh thể của BTO có thể cải thiện đáng kể đặc tính quang xúc tác của nó. Nghiên cứu từ tài liệu gốc nhấn mạnh rằng BTO có tính chất vật lý và hóa học độc đáo, bao gồm tính chất điện môi và từ tính cao [45].

1.2. Tiềm Năng Của g C3N4 Trong Xúc Tác Quang

g-C3N4 (graphitic carbon nitride) là một chất bán dẫn phi kim loại hấp thụ ánh sáng khả kiến lên đến 460nm. Điểm mạnh của g-C3N4 bao gồm năng lượng vùng cấm hẹp (khoảng 2.7 eV), tính bền và khả năng tổng hợp dễ dàng với số lượng lớn [11], [40]. Tuy nhiên, g-C3N4 nguyên chất có nhược điểm là dễ tái hợp cặp electron-lỗ trống, làm giảm hiệu suất xúc tác quang. Vì vậy, việc kết hợp g-C3N4 với các vật liệu khác, ví dụ như BaTiO3, là một giải pháp tiềm năng.

II. Giải Quyết Hướng Tiếp Cận Mới Cho Vật Liệu Xúc Tác Quang

Bài toán đặt ra là làm thế nào để tận dụng tối đa ưu điểm và khắc phục nhược điểm của cả BaTiO3 và g-C3N4. Việc tạo ra vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 là một hướng đi đầy triển vọng. Cấu trúc nano composite này có thể cải thiện sự phân tách điện tích, tăng diện tích bề mặt và nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó tăng hiệu suất xúc tác trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm. Việc nghiên cứu các phương pháp tổng hợp vật liệu tối ưu cũng đóng vai trò quan trọng.

2.1. Tạo Vật Liệu Composite g C3N4 BaTiO3 Mục Tiêu và Lợi Ích

Mục tiêu chính là tạo ra một vật liệu composite mà trong đó g-C3N4 và BaTiO3 hỗ trợ lẫn nhau. g-C3N4 giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, trong khi BaTiO3 có thể cải thiện sự phân tách điện tích và tăng độ bền của vật liệu. Theo tài liệu, nhiều công trình đã tổng hợp composite của g-C3N4 với hợp chất perovskit, cho thấy hiệu suất xúc tác quang khá cao trong vùng ánh sáng khả kiến, ví dụ như g-C3N4/SrTiO3 [16], [42].

2.2. Các Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu g C3N4 BaTiO3

Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3, bao gồm phương pháp tẩm ướt, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp sol-gel. Phương pháp tẩm ướt là một quy trình đơn giản và hiệu quả để kết hợp hai vật liệu. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vật liệu và đặc tính quang xúc tác. Phương pháp tẩm ướt được sử dụng trong nghiên cứu này để tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 từ g-C3N4 và BaTiO3.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tổng Hợp và Đặc Trưng Vật Liệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và đặc trưng vật liệu g-C3N4/BaTiO3. Quá trình bao gồm tổng hợp BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt, tổng hợp g-C3N4 từ urê, sau đó kết hợp hai vật liệu bằng phương pháp tẩm ướt. Các phương pháp đặc trưng vật liệu như XRD, SEM, UV-Vis DRS và IR được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái và đặc tính quang của vật liệu. Việc khảo sát hoạt tính xúc tác quang được thực hiện bằng cách theo dõi sự phân hủy của xanh metylen dưới ánh sáng khả kiến.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp BaTiO3 và g C3N4

BaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ Ba(NO3)2, propan-2-ol và TiCl4. g-C3N4 được tổng hợp bằng cách nung urê. Các thông số như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ mol của các chất phản ứng được điều chỉnh để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu.Theo tài liệu gốc, phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm về độ tinh khiết cao, đồng nhất, kích thước hạt có thể điều khiển được và hình thái học tốt, làm tăng tính chất quang xúc tác và tính chọn lọc của vật liệu [22], [49].

3.2. Các Phương Pháp Đặc Trưng Cấu Trúc Vật Liệu XRD SEM IR

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp thông tin về hình thái và kích thước hạt. Phổ hồng ngoại (IR) được sử dụng để xác định các liên kết hóa học trong vật liệu. Phổ UV-Vis DRS được sử dụng để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm. Theo tài liệu, các vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý hiện đại để xác định cấu trúc, hình thái bề mặt, vùng hấp thụ ánh sáng, năng lượng vùng cấm và các liên kết trong vật liệu tổng hợp.

3.3. Đánh Giá Hoạt Tính Xúc Tác Quang Phân Hủy Xanh Metylen

Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu được đánh giá thông qua quá trình phân hủy xanh metylen (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp đo quang phổ UV-Vis. Tốc độ phân hủy và hiệu suất xúc tác được tính toán để so sánh hiệu quả của các vật liệu khác nhau.Theo tài liệu gốc, hoạt tính xúc tác được đánh giá theo phương pháp chuẩn và nồng độ hợp chất hữu cơ MB được xác định theo phương pháp UV-Vis.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Suất Xúc Tác và Cơ Chế Phản Ứng

Nghiên cứu này cho thấy rằng vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 có hoạt tính xúc tác quang cao hơn so với BaTiO3 hoặc g-C3N4 riêng lẻ. Kết quả XRD và SEM cho thấy sự hình thành cấu trúc composite. Phổ UV-Vis DRS cho thấy sự thay đổi khả năng hấp thụ ánh sáng. Cơ chế phản ứng được đề xuất dựa trên sự chuyển điện tích giữa g-C3N4 và BaTiO3, giúp tăng cường sự phân tách electron-lỗ trống.

4.1. Hiệu Suất Xúc Tác Quang Của g C3N4 BaTiO3

Vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 thể hiện hiệu suất xúc tác quang cao hơn trong quá trình phân hủy xanh metylen so với BaTiO3 hoặc g-C3N4 riêng lẻ. Việc tối ưu hóa tỷ lệ g-C3N4 và BaTiO3 trong composite có thể đạt được hiệu suất xúc tác tối đa. Các yếu tố như nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng và pH ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất ô nhiễm.

4.2. Đề Xuất Cơ Chế Phản Ứng Xúc Tác Quang

Cơ chế phản ứng được đề xuất dựa trên sự chuyển điện tích giữa g-C3N4 và BaTiO3. g-C3N4 hấp thụ ánh sáng và chuyển electron sang BaTiO3, giúp tăng cường sự phân tách electron-lỗ trống và giảm sự tái hợp, từ đó tăng cường hoạt tính xúc tác quang. Nghiên cứu khảo sát cơ chế phản ứng, đặc biệt là ảnh hưởng của các chất dập tắt gốc tự do đến quá trình phân hủy MB trên vật liệu g-C3N4/BaTiO3.

V. Ứng Dụng Thực Tế Tiềm Năng Trong Xử Lý Nước Thải

Với hiệu suất xúc tác quang cao, vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, mang lại một giải pháp kinh tế và thân thiện với môi trường.

5.1. Ứng Dụng g C3N4 BaTiO3 Trong Phân Hủy Chất Ô Nhiễm

Vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 có thể được sử dụng để phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, bao gồm thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và các hợp chất công nghiệp khác. Quá trình phân hủy này có thể biến đổi các chất ô nhiễm độc hại thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

5.2. Phát Triển Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Dựa Trên Ánh Sáng Mặt Trời

Vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời. Các hệ thống này có thể được thiết kế để xử lý nước thải tại chỗ hoặc trong các nhà máy xử lý nước thải lớn, giảm chi phí và tác động môi trường.

VI. Kết Luận Vật Liệu Perovskit và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu về vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3 đã chứng minh tiềm năng của sự kết hợp giữa vật liệu perovskit và g-C3N4 trong lĩnh vực xúc tác quang. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, khám phá các ứng dụng mới và cải thiện tính ổn định của vật liệu trong điều kiện thực tế.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả và Đánh Giá Ưu Điểm Vượt Trội

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/BaTiO3, chứng minh hiệu suất xúc tác quang cao hơn so với các vật liệu riêng lẻ. Vật liệu này có tiềm năng trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ và phát triển các hệ thống xử lý nước thải bền vững.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Vật Liệu Xúc Tác Quang Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, khám phá các ứng dụng mới trong ứng dụng năng lượng mặt trời và cải thiện tính ổn định của vật liệu trong điều kiện thực tế. Việc nghiên cứu các vật liệu perovskit mới và các phương pháp tổng hợp vật liệu tiên tiến cũng là một hướng đi quan trọng.

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 giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và thân thiện môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học truyền thống vẫn còn nhiều hạn chế về hiệu suất và chi phí. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác quang có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng khả kiến được xem là hướng đi đầy tiềm năng. Vật liệu perovskit BaTiO3 với cấu trúc ABO3 đặc trưng, cùng với graphit cacbon nitrua (g-C3N4) có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tính ổn định hóa học cao.

Mục tiêu chính của luận văn là tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit BaTiO3 bằng g-C3N4 để tạo thành vật liệu composit có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến, từ đó ứng dụng trong phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt ở các nhiệt độ 180, 200 và 220⁰C trong 48 giờ, tổng hợp g-C3N4 từ urê bằng phương pháp nung ở 550⁰C, và tạo composit g-C3N4/BaTiO3 bằng phương pháp tẩm ướt. Hoạt tính xúc tác quang được khảo sát qua phản ứng phân hủy MB dưới ánh sáng đèn sợi tóc 220V – 60W trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu suất xử lý nước thải hữu cơ bằng phương pháp quang xúc tác, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu perovskit và g-C3N4 trong lĩnh vực môi trường và hóa học vô cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Lý thuyết vùng năng lượng trong chất bán dẫn: Mô tả sự phân bố vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) trong vật liệu bán dẫn, với năng lượng vùng cấm (Eg) là khoảng cách giữa hai vùng này. Khi photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg chiếu vào, electron được kích thích từ VB lên CB tạo ra cặp electron – lỗ trống quang sinh, là cơ sở cho quá trình xúc tác quang.

• Cơ chế xúc tác quang hóa dị thể: Quá trình xúc tác quang bao gồm sự tạo thành, dịch chuyển, bắt giữ và tái kết hợp các điện tích quang sinh trên bề mặt vật liệu. Các gốc tự do như •OH, •O2ˉ được sinh ra từ phản ứng của electron và lỗ trống với nước và oxy, đóng vai trò chính trong phân hủy các hợp chất hữu cơ.

• Mô hình vật liệu composit: Việc kết hợp g-C3N4 với BaTiO3 tạo thành vật liệu composit giúp giảm thiểu sự tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng thời gian tồn tại các điện tích quang sinh, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang. Hiệu ứng “bẫy electron” trong composit làm tăng khả năng tạo gốc oxy hóa mạnh.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh (eˉ_CB), lỗ trống quang sinh (h⁺_VB), xúc tác quang, vật liệu perovskit BaTiO3, graphit cacbon nitrua (g-C3N4), và vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn gồm Ba(NO3)2, TiCl4, urê, propan-2-ol, NaOH và xanh metylen (MB). Vật liệu BaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở các nhiệt độ 180, 200, 220⁰C trong 48 giờ. Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung urê ở 550⁰C trong 2 giờ. 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: Các vật liệu được đặc trưng bằng các kỹ thuật hóa lý hiện đại gồm:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
  • 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.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

• Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác: Hoạt tính xúc tác quang được đánh giá qua khả năng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng đèn sợi tóc 220V – 60W. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm. Thí nghiệm hấp phụ MB được thực hiện trong bóng tối để xác định thời gian cân bằng hấp phụ trước khi chiếu sáng.

• Cỡ mẫu và timeline: Mỗi mẫu vật liệu được tổng hợp và khảo sát với cỡ mẫu khoảng 0,03 gam trong thể tích dung dịch 80 mL. Quá trình tổng hợp và phân tích kéo dài trong khoảng 6 tháng tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn và các cơ sở liên kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc và hình thái vật liệu BaTiO3: Giản đồ XRD cho thấy BaTiO3 được tổng hợp ở 200⁰C (BTO-200) có cấu trúc tinh thể perovskit chuẩn với các đỉnh nhiễu xạ rõ ràng, kích thước hạt trung bình khoảng 50 nm theo phân tích SEM. Mẫu BTO-200 đạt hiệu suất phân hủy MB lên đến 99,2% sau 7 giờ chiếu sáng, vượt trội so với BTO-180 và BTO-220 (hiệu suất lần lượt khoảng 85% và 90%).

2. Tính chất quang học của g-C3N4 và composit g-C3N4/BaTiO3: Phổ UV-Vis DRS cho thấy g-C3N4 hấp thụ ánh sáng đến bước sóng 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, năng lượng vùng cấm giảm nhẹ, cho thấy sự tương tác hiệu quả giữa hai pha. Hiệu suất phân hủy MB của composit đạt khoảng 95% trong 7 giờ, cao hơn đáng kể so với g-C3N4 (khoảng 60%) và BaTiO3 đơn lẻ (khoảng 90%).

3. Ảnh hưởng của các yếu tố thực nghiệm: Nồng độ ban đầu của MB ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất phân hủy; với nồng độ MB 5 mg/L, hiệu suất phân hủy đạt cao nhất. Cường độ nguồn sáng tăng từ 40W lên 60W làm tăng tốc độ phân hủy MB lên khoảng 20%. pH dung dịch ảnh hưởng đến điểm điện tích không pHPZC của vật liệu composit, với pH tối ưu khoảng 7-8 cho hiệu suất xúc tác cao nhất.

4. Cơ chế xúc tác quang: Các thí nghiệm sử dụng chất dập tắt gốc tự do cho thấy gốc hydroxyl (•OH) và superoxide (•O2ˉ) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy MB. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy quá trình phân hủy tuân theo phản ứng bậc một với hằng số tốc độ cao nhất ở composit g-C3N4/BaTiO3 10%.

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 và bề mặt tiếp xúc lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp phụ và phản ứng quang hóa. Việc biến tính BaTiO3 bằng g-C3N4 giúp giảm thiểu sự tái kết hợp electron – lỗ trống nhờ hiệu ứng chuyển giao điện tích giữa hai pha, kéo dài thời gian tồn tại các điện tích quang sinh, từ đó tăng cường tạo gốc oxy hóa mạnh.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng cải thiện hoạt tính xúc tác quang bằng cách tạo vật liệu composit giữa perovskit và g-C3N4, đồng thời mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến. Các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch được xác định là các tham số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo thời gian, phổ UV-Vis DRS so sánh vùng hấp thụ của các mẫu, và đồ thị động học Langmuir-Hinshelwood minh họa tốc độ phản ứng. Bảng thành phần nguyên tố EDX cũng hỗ trợ xác nhận thành phần vật liệu composit.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 200⁰C trong 48 giờ để tổng hợp BaTiO3 với kích thước hạt nano đồng nhất, kết hợp với tỷ lệ g-C3N4 khoảng 10% trong composit nhằm đạt hiệu suất xúc tác quang tối ưu. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 tháng cho quy trình tổng hợp và kiểm tra.

2. Mở rộng khảo sát điều kiện phản ứng: Thực hiện nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của pH, nồng độ chất ô nhiễm và cường độ ánh sáng trong phạm vi rộng hơn để xác định điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường trong 6 tháng.

3. Phát triển vật liệu composit đa chức năng: Nghiên cứu pha tạp thêm các nguyên tố kim loại hoặc oxit khác vào composit g-C3N4/BaTiO3 để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái kết hợp điện tích, hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1 năm.

4. Ứng dụng thử nghiệm quy mô pilot: Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải thực tế tại một số địa phương sử dụng vật liệu composit tổng hợp, đánh giá hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp và độ bền vật liệu trong điều kiện vận hành thực tế. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu môi trường phối hợp với doanh nghiệp, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học vô cơ và Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp, biến tính và đặc trưng vật liệu perovskit BaTiO3 và g-C3N4, cũng như phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng vật liệu xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến giúp thiết kế các hệ xử lý nước thải thân thiện và hiệu quả hơn.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý môi trường: Có thể ứng dụng quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu để phát triển sản phẩm xúc tác quang mới, nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng thị trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu perovskit BaTiO3 có ưu điểm gì trong xúc tác quang?
   BaTiO3 có cấu trúc tinh thể perovskit ổn định, năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, kích thước hạt nano giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả hấp thụ ánh sáng và phân hủy các chất hữu cơ dưới ánh sáng UV và khả kiến.

2. Tại sao cần biến tính BaTiO3 bằng g-C3N4?
   g-C3N4 có năng lượng vùng cấm thấp (~2,7 eV) và hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, khi kết hợp với BaTiO3 giúp giảm tái kết hợp electron – lỗ trống, tăng thời gian tồn tại các điện tích quang sinh, nâng cao 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, hình thái học tốt, dễ kiểm soát điều kiện tổng hợp, giúp tăng hoạt tính xúc tác quang và tính chọn lọc của vật liệu.

4. Hiệu suất phân hủy xanh metylen được đánh giá như thế nào?
   Hiệu suất được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm, đo sự giảm nồng độ MB theo thời gian dưới tác dụng của vật liệu xúc tác quang dưới ánh sáng khả kiến.

5. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composit?
   Nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng, pH dung dịch, tỷ lệ pha g-C3N4 trong composit và thời gian chiếu sáng đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy và tốc độ phản ứng xúc tác quang.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu perovskit BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt ở 200⁰C với kích thước hạt nano đồng nhất và hoạt tính xúc tác quang cao, đạt hiệu suất phân hủy MB trên 99%.
• 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 ánh sáng khả kiến tốt.
• Vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3 với tỷ lệ g-C3N4 10% thể hiện hiệu suất xúc tác quang vượt trội so với các thành phần riêng lẻ, nhờ giảm thiểu tái kết hợp electron – lỗ trống.
• Các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xúc tác quang, phù hợp với mô hình động học Langmuir-Hinshelwood.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp, khảo sát điều kiện phản ứng và ứng dụng thử nghiệm quy mô thực tế nhằm phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu để phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu suất và đa dạng hóa ứng dụng của vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3.