Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Biến Tính Bởi g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang

Tài liệu nghiên cứu Luận văn tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit catio3 bởi g c3n4 ứng dụng làm chất xúc tác quang, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Bảo Hoàng
• 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 CaTiO3 Biến Tính Bởi g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang
• Loại tài liệu: luận văn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 2.1.1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng
• 2.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
• 2.2. GIỚI THIỆU VỀ CALCIUM TITANATE
• 2.2.1. Đặc điểm cấu trúc của calcium titanate
• 2.2.2. Phương pháp tổng hợp calcium titanate
• 2.3. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHITIC CARBON NITRIDE (g-C3N4)
• 2.3.1. Đặc điểm cấu tạo
• 2.3.2. Phương pháp tổng hợp và tiềm năng ứng dụng của g-C3N4
• 2.4. GIỚI THIỆU VỀ COMPOSIT g-C3N4/CaTiO3
• 3. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC
• 3.1.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine
• 3.1.2. Tổng hợp vật liệu perovskit CaTiO3
• 3.1.3. Tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray)
• 3.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.3. Phương pháp phổ tán xạ khuếch tán tia tử ngoại khả kiến (UV-vis DRS)
• 3.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 3.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
• 3.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG
• 3.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 3.3.3. Phân tích định lượng methylene blue
• 4. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 4.1.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4
• 4.1.2. Đặc trưng vật liệu CaTiO3
• 4.1.3. Đặc trưng vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3
• 4.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
• 4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ
• 4.2.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 (x : y)
• 4.2.3. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3
• 4.2.4. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác
• CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Giới Thiệu

Vật liệu quang xúc tác ngày càng được nghiên cứu sâu rộng trong xử lý ô nhiễm nước. Chúng mang lại nhiều ưu điểm như tính đơn giản, độc tính thấp, độ ổn định hóa học cao và hiệu suất phân hủy tốt đối với các chất hữu cơ. Vật liệu bán dẫn oxit, thông qua quá trình oxy hóa tiên tiến dưới ánh sáng, tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như OH, O2-, giúp phân hủy chất hữu cơ thành vô cơ đơn giản, vô hại. Trong số đó, vật liệu perovskit nổi bật với khả năng quang hóa cao, hoạt động xúc tác ưu việt nhờ biến dạng và khuyết tật mạng tinh thể lớn, tạo thêm các tâm bẫy electron và hạn chế tái hợp cặp lỗ trống-electron. Cấu trúc perovskit với lỗ trống giữa các cation kim loại và anion O2- thúc đẩy hấp phụ oxy, tăng phản ứng xúc tác quang.

1.1. Khái niệm và cơ chế hoạt động của chất xúc tác quang

Phản ứng xúc tác quang xảy ra khi có đồng thời chất xúc tác và ánh sáng. Ánh sáng kích hoạt chất xúc tác, thúc đẩy phản ứng. Trong chất bán dẫn, ánh sáng tạo ra cặp điện tử-lỗ trống, electron trao đổi qua lại giữa các chất bị hấp phụ thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Chất bán dẫn làm xúc tác quang có nhiều ưu điểm: không biến đổi, không cần năng lượng bổ sung, thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thường, sử dụng ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, chất xúc tác rẻ và không độc hại.

1.2. Tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong môi trường

Vật liệu xúc tác quang ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước ô nhiễm hữu cơ, đáp ứng yêu cầu kinh tế và thân thiện môi trường. Nghiên cứu hướng đến xúc tác hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời. Quá trình tái hợp cặp điện tử-lỗ trống quang sinh làm giảm hiệu quả xúc tác quang. Vì vậy, phương pháp tạo vật liệu composit được quan tâm để khắc phục nhược điểm này, ví dụ như g-C3N4/Al2O3, g-C3N4/BiFeO3, g-C3N4/SrTiO3.

II. CaTiO3 Vật Liệu Perovskit Tiềm Năng Cho Xúc Tác Quang

CaTiO3 là một chất xúc tác perovskit điển hình, sở hữu tính chất vật lý và hóa học độc đáo như tính chất điện môi, từ tính cao. Ứng dụng của nó trải rộng trong tụ điện, cảm biến, điện tử, chế tạo gạch và xúc tác quang. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm cao (khoảng 3,45 eV) giới hạn CaTiO3 chủ yếu hoạt động mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại. Việc pha tạp hoặc lai ghép CaTiO3 tạo ra vật liệu mới, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm năng lượng vùng cấm, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác quang.

2.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của CaTiO3

CaTiO3 thuộc loại perovskit II - IV, với cấu trúc tinh thể lý tưởng kiểu lập phương. Cấu trúc này được H. Megaw phát hiện đầu tiên trong khoáng chất CaTiO3. CaTiO3 là chất bán dẫn loại n với năng lượng vùng cấm khoảng 3,45 eV. Ở kích thước nanomet, năng lượng vùng cấm tăng lên khi kích thước hạt giảm. Do đó, CaTiO3 hấp thụ photon vùng bước sóng cao hơn, làm cho nó nổi trội hơn một số perovskit khác trong các quá trình quang hóa.

2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu CaTiO3

CaTiO3 kết tinh như một tế bào (Pbnm) tại nhiệt độ phòng. Cấu trúc này có năng lượng thuận lợi tại nhiệt độ phòng vì hệ số dung sai nhỏ khoảng 0,95. Quá trình chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ lớn hơn 1530 K sang dạng cấu trúc khối Pm3m. Các bát diện TiO6 hình thành bị nghiêng và bị biến dạng do các nguyên tử A (Ca) xung quanh, dẫn đến vùng cấm của vật liệu CaTiO3 và các vật liệu titanate khác là khác nhau.

III. G C3N4 Chất Bán Dẫn Polymer Tiềm Năng Cho Biến Tính

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) là chất bán dẫn không kim loại dạng polymer có cấu trúc lớp, đầy tiềm năng. Ưu điểm của nó bao gồm năng lượng vùng cấm thấp (khoảng 2,7 eV), khả năng hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến, thân thiện môi trường và dễ tổng hợp số lượng lớn. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có nhược điểm là quá trình tái kết hợp electron-lỗ trống quang sinh mạnh, làm giảm hoạt tính xúc tác quang. Giải pháp khắc phục là tổng hợp vật liệu mới bằng cách pha tạp hoặc tạo composit giữa g-C3N4 với các chất bán dẫn tương thích.

3.1. Cấu tạo và tính chất quang của g C3N4

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) có cấu trúc lớp, tương tự như graphene, nhưng chứa các nguyên tử nitơ trong mạng lưới carbon. Cấu trúc này tạo ra các tính chất điện tử và quang học độc đáo. Năng lượng vùng cấm của g-C3N4 có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kích thước hạt, cấu trúc bề mặt, hoặc bằng cách pha tạp các nguyên tố khác.

3.2. Ứng dụng tiềm năng và phương pháp tổng hợp g C3N4

G-C3N4 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong xúc tác quang, quang điện, cảm biến, và lưu trữ năng lượng. Nó có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm nhiệt phân các tiền chất giàu nitơ như melamine, dicyandiamide, và urea. Phương pháp nhiệt phân là phương pháp phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả.

IV. Tối Ưu Hóa Composit g C3N4 CaTiO3 Giải Pháp Xúc Tác Quang

Để khắc phục nhược điểm của CaTiO3 và g-C3N4, một số nghiên cứu đã tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3 bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các composit này phân hủy các hợp chất hữu cơ với hiệu suất xúc tác quang khá cao trong vùng ánh sáng khả kiến. Ở Việt Nam, các công bố về biến tính CaTiO3 để làm xúc tác quang còn hạn chế. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp đơn giản, hiệu quả để tổng hợp loại composit này vẫn được quan tâm.

4.1. Tối ưu tỉ lệ g C3N4 và CaTiO3 cho hoạt tính xúc tác cao

Tỉ lệ tối ưu giữa g-C3N4 và CaTiO3 là yếu tố quan trọng để đạt được hoạt tính xúc tác quang cao nhất. Tỉ lệ này ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng, sự vận chuyển electron, và sự tái hợp cặp điện tử-lỗ trống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ tối ưu thường nằm trong khoảng từ 1:1 đến 2:1 (g-C3N4:CaTiO3).

4.2. Cơ chế hoạt động của composit g C3N4 CaTiO3

Trong composit g-C3N4/CaTiO3, g-C3N4 hấp thụ ánh sáng khả kiến và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Electron từ g-C3N4 được chuyển sang CaTiO3, làm giảm sự tái hợp và tăng thời gian tồn tại của các điện tích, dẫn đến hiệu suất xúc tác quang cao hơn. Các gốc tự do (OH, O2-) được tạo ra trong quá trình này oxy hóa các chất ô nhiễm.

V. Nghiên Cứu Thực Nghiệm và Đánh Giá Vật Liệu g C3N4 CaTiO3

Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp CaTiO3 từ TiCl4, Ca(NO3)2 và propan-2-ol; g-C3N4 từ melamine và tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3 từ CaTiO3 và g-C3N4. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp được khảo sát bằng phản ứng phân hủy MB trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm.

5.1. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu

G-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung từ melamine. Vật liệu perovskit CaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ Ca(NO3)2 và TiCl4. Vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ CaTiO3 và g-C3N4. Các vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), phổ UV-vis.

5.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang và cơ chế phản ứng

Hoạt tính xúc tác được đánh giá bởi sự phân hủy hợp chất hữu cơ MB, nồng độ MB được xác định theo phương pháp UV-vis. Cơ chế phản ứng xúc tác quang được khảo sát bằng cách sử dụng các chất dập tắt gốc tự do, và đo điểm đẳng điện của vật liệu composit.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Perovskit Biến Tính

Nghiên cứu thành công tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit CaTiO3 bằng g-C3N4 để tạo composit g-C3N4/CaTiO3 có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng vật liệu perovskit biến tính cho xử lý ô nhiễm môi trường. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nâng cao hiệu suất xúc tác quang, và khám phá các ứng dụng thực tiễn khác.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu chính

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc biến tính CaTiO3 bằng g-C3N4 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Composit g-C3N4/CaTiO3 thể hiện khả năng phân hủy MB tốt hơn so với CaTiO3 và g-C3N4 riêng lẻ. Tỉ lệ giữa g-C3N4 và CaTiO3, cường độ ánh sáng, và pH của dung dịch ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xúc tác quang.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng tiềm năng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3, sử dụng các phương pháp biến tính khác để cải thiện tính chất của vật liệu, và khám phá các ứng dụng tiềm năng khác như xử lý các chất ô nhiễm khác, quang điện, và cảm biến. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu perovskit biến tính bao gồm xử lý nước thải công nghiệp, phân hủy thuốc trừ sâu, và tạo ra năng lượng sạch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là phẩm nhuộm công nghiệp từ ngành dệt may với hơn 100.000 tấn thải ra môi trường mỗi năm trên toàn cầu, đang là thách thức sinh thái nghiêm trọng. Trong các giải pháp xử lý oxy hóa nâng cao, công nghệ quang xúc tác sử dụng chất bán dẫn nổi lên như một hướng tiếp cận xanh, kinh tế và bền vững. Tuy nhiên, vật liệu perovskite Canxi Titanat (CaTiO3) điển hình dù sở hữu độ bền hóa học và tính chất điện môi vượt trội nhưng lại có năng lượng vùng cấm rộng lên tới 3,52 eV, chỉ hấp thụ được bức xạ trong vùng tử ngoại (bước sóng dưới 390 nm) vốn chỉ chiếm khoảng 4% đến 5% năng lượng quang phổ mặt trời. Trong khi đó, vật liệu polymer bán dẫn không kim loại graphitic carbon nitride (g-C3N4) có năng lượng vùng cấm hẹp 2,70 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng lại bị hạn chế lớn bởi tốc độ tái hợp nhanh của các cặp electron - lỗ trống quang sinh.

Nhằm khắc phục triệt để các nhược điểm trên, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa vô cơ tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu perovskite CaTiO3 bằng g-C3N4 để tạo ra hệ vật liệu composit dị thể g-C3N4/CaTiO3. Nghiên cứu hướng đến mục tiêu mở rộng vùng hấp thụ bức xạ sang dải ánh sáng khả kiến (chiếm khoảng 45% quang phổ ánh sáng mặt trời), đồng thời ức chế quá trình tái hợp điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ Methylene Blue (nồng độ 5 đến 10 mg/L). Toàn bộ các quy trình thực nghiệm được triển khai trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn và các đơn vị phối hợp thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp chế tạo vật liệu xúc tác quang hiệu năng cao, đạt tỷ lệ phân hủy quang hóa trên 90% dưới nguồn sáng LED 30W công suất thấp, mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn (Band Theory) và mô hình chuyển dịch điện tích tiếp xúc dị thể (Heterojunction Interface). Dưới tác dụng của photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), các electron ở vùng hóa trị (VB) sẽ nhận năng lượng và nhảy lên vùng dẫn (CB), để lại các lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các hạt tải điện quang sinh này tương tác với nước và oxy hòa tan trên bề mặt để tạo ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa cực mạnh như hydroxyl (.OH) và superoxide (.O2-). Mô hình cấu trúc dị thể giữa CaTiO3 (loại n) và g-C3N4 tạo nên một gradient thế năng tại mặt tiếp xúc, thúc đẩy các electron quang sinh truyền qua lại giữa các vùng dẫn tương ứng, kéo dài thời gian sống của các cặp e-/h+ và hạn chế tối đa sự tái kết hợp năng lượng.

Bên cạnh đó, quá trình phân hủy quang hóa chất màu hữu cơ được giải thích thông qua mô hình động học dị thể Langmuir - Hinshelwood. Năm khái niệm học thuật then chốt xuyên suốt đề tài gồm: cấu trúc perovskite ABO3 kiểu lập phương của CaTiO3; cấu trúc lớp phẳng tương tự than chì xây dựng từ các đơn vị tri-s-triazine của g-C3N4; năng lượng vùng cấm (Band gap energy - Eg); cặp electron - lỗ trống quang sinh (e-CB/h+VB); và phản ứng oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập từ các mẻ tổng hợp hóa học và phân tích trắc quang. Mẫu perovskite CaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ tiền chất Ca(NO3)2 và TiCl4 ở 3 mức nhiệt độ khảo sát gồm 160°C, 180°C và 200°C trong thời gian 12 giờ. Mẫu g-C3N4 được điều chế bằng phản ứng nhiệt ngưng tụ melamine ở dải nhiệt độ 500°C đến 520°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút. Composit g-C3N4/CaTiO3 được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180°C trong 4 giờ với 3 tỷ lệ khối lượng phối trộn xác định: 1:1, 1:2 và 2:1. Cỡ mẫu khảo sát hoạt tính quang xúc tác sử dụng 0,03 gam vật liệu rắn trong 80 mL dung dịch Methylene Blue. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm có chủ đích theo biến thiên nhiệt độ và tỷ lệ cấu phần nhằm xác lập tương quan cấu trúc - hoạt tính một cách chuẩn xác.

Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại được lựa chọn có lý do khoa học rõ ràng:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị Siemens D-500 (bước sóng Cu Kα λ = 1,540 Å, điện áp 30 kV) nhằm xác định cấu trúc mạng tinh thể, độ sạch pha và kích thước tinh thể nano theo phương trình Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL-JSM 5410 LV ở độ phóng đại 20.000 lần nhằm kiểm tra hình thái bề mặt và kích thước hạt.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên máy PerkinElmer GX (vùng 400 - 4000 cm-1) xác định các liên kết hóa học đặc trưng Ti-O, Ti-O-Ti và vòng thơm C-N.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) phân tích định lượng thành phần nguyên tố.
• Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-vis DRS) trên máy GBC-2885 (200 - 800 nm) kết hợp hàm Kubelka - Munk để xác định chính xác bờ hấp thụ và năng lượng vùng cấm. Nồng độ phẩm nhuộm MB được đo quang định lượng trên máy UV-Vis Jenway 6800 ở bước sóng cực đại 663 nm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang hóa đã đem lại các phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ tối ưu 180°C trong 12 giờ đã tổng hợp thành công perovskite CaTiO3 đơn pha, có độ kết tinh cao vượt trội so với mẫu ở 160°C (vốn còn tồn dư pha tạp TiO2). Kích thước tinh thể trung bình của mẫu CaTiO3-180 tính theo mặt phản xạ (121) đạt khoảng 30,0 nm với độ rộng nửa pic FWHM là 0,312°. Kết quả phân tích thành phần định lượng qua phổ EDS cho thấy tỷ lệ khối lượng các nguyên tố đạt mức chuẩn xác cao với 32,03% Ca, 25,47% Ti và 42,50% O (tương ứng tỷ lệ phần trăm nguyên tử là 20,04% Ca, 13,34% Ti và 66,62% O), hoàn toàn không chứa tạp chất lạ. Hình ảnh SEM xác nhận các hạt có dạng hình cầu đồng đều với kích thước phân bố trong khoảng 100 đến 150 nm.

Thứ hai, vật liệu g-C3N4 chế tạo từ melamine thể hiện hai pic nhiễu xạ XRD đặc trưng tại góc 2θ = 27,3° (mặt 002) và 13,2° (mặt 100), cùng các dải dao động liên kết C-N và C=N trong khoảng 1250 đến 1632 cm-1 trên phổ IR. Năng lượng vùng cấm của g-C3N4 được xác định là 2,70 eV, mở rộng vùng hấp thụ quang đến bước sóng 500 nm. Khi kết hợp tạo composit g-C3N4/CaTiO3 tỷ lệ 1:1, phổ XRD ghi nhận đầy đủ các vân nhiễu xạ đặc trưng của cả hai pha thành phần, chứng minh sự tích hợp dị thể bền vững mà không phá vỡ cấu trúc tinh thể nguyên bản.

Thứ ba, hiệu suất quang xúc tác phân hủy Methylene Blue của composit g-C3N4/CaTiO3 (1:1) dưới bức xạ đèn LED 30W đạt trên 90% sau 420 phút phản ứng, cao hơn khoảng 2,3 lần so với mẫu CaTiO3 đơn lẻ (chỉ đạt dưới 40% do vùng cấm rộng 3,52 eV không hấp thụ hiệu quả ánh sáng khả kiến) và vượt trội so với g-C3N4 đơn thuần (bị giới hạn bởi sự tái hợp điện tích).

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng đột biến về hoạt tính quang xúc tác của composit g-C3N4/CaTiO3 bắt nguồn từ cấu trúc dị thể pha tiếp xúc. Dựa trên tính toán lý thuyết, vị trí biên năng lượng của CaTiO3 có thế vùng dẫn ECB = -0,86 eV và thế vùng hóa trị EVB = +2,66 eV. Sự chênh lệch mức năng lượng biên giữa CaTiO3 và g-C3N4 tạo điều kiện thuận lợi cho các electron quang sinh e- và lỗ trống h+ chuyển dịch không gian hiệu quả, kéo dài đáng kể thời gian sống của hạt mang điện.

Thực nghiệm bẫy gốc tự do (radical scavenging tests) sử dụng các tác nhân dập tắt chuyên biệt như tert-butyl alcohol (dập tắt gốc .OH), 1,4-benzoquinon (dập tắt gốc .O2-) và ammonium oxalate (dập tắt lỗ trống h+) đã chứng minh rằng các gốc tự do superoxide (.O2-) và lỗ trống quang sinh h+ đóng vai trò then chốt trong phản ứng bẻ gãy mạch phân tử Methylene Blue thành CO2 và H2O.

Dữ liệu phân hủy quang hóa khi biểu diễn qua đồ thị hàm bậc một ln(C0/C) theo thời gian chiếu xạ t cho thấy sự phù hợp tuyệt đối với mô hình động học Langmuir - Hinshelwood, với hệ số tương quan tuyến tính R2 đạt trên 0,98. Bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng k (h-1) chỉ ra rằng tốc độ phân hủy của hệ composit g-C3N4/CaTiO3 tỷ lệ 1:1 cao gấp khoảng 3,8 lần so với CaTiO3 nguyên chất. Kết quả này hoàn toàn tương thích và khẳng định tính vượt trội so với các công bố khoa học quốc tế về biến tính perovskite trong những năm gần đây.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm vững chắc, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị ứng dụng mang tính khả thi cao:

1. Chuẩn hóa và nâng cấp quy trình tổng hợp thủy nhiệt: Đơn vị nghiên cứu và các phòng thí nghiệm chuyên ngành cần tiến hành chuẩn hóa quy trình điều chế composit g-C3N4/CaTiO3 tỷ lệ 1:1 từ quy mô mẻ nhỏ 100 mL lên hệ thống autoclave dung tích 5 đến 10 lít. Mục tiêu là duy trì độ đồng đều kích thước hạt nano dưới 35 nm và sản lượng đạt từ 200 đến 500 gam vật liệu mỗi mẻ trong vòng 12 tháng tới.

2. Phát triển kỹ thuật cố định chất xúc tác lên giá mang: Nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu môi trường cần tập trung nghiên cứu cố định bột xúc tác g-C3N4/CaTiO3 lên các giá thể trơ như màng thủy tinh, lưới thép không gỉ hoặc hạt zeolite xốp. Giải pháp này hướng đến mục tiêu nâng tỷ lệ thu hồi và tái sử dụng vật liệu đạt trên 95% sau 5 chu kỳ phản ứng liên tục trong lộ trình thực hiện 18 tháng.

3. Mở rộng thử nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế: Các trung tâm quan trắc và kỹ thuật môi trường phối hợp cùng doanh nghiệp dệt may triển khai thử nghiệm quang xúc tác trên mẫu nước thải công nghiệp thực tế có độ màu và nồng độ COD ban đầu trên 300 mg/L. Mục tiêu đạt hiệu suất khử màu trên 88% và giảm chỉ số COD trên 75% trong thời gian chiếu xạ 180 phút, triển khai trong giai đoạn 24 tháng.

4. Tối ưu hóa thiết kế module phản ứng quang hóa năng lượng mặt trời: Đội ngũ kỹ sư công nghệ môi trường cần thiết kế hệ phản ứng quang xúc tác dạng dòng chảy liên tục (continuous flow reactor) tận dụng trực tiếp bức xạ ánh sáng mặt trời tự nhiên với công suất xử lý 2 đến 5 m3/ngày đêm, hoàn thiện lắp đặt và vận hành thử nghiệm trong thời gian 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn là tài liệu tham khảo học thuật và ứng dụng giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa môi trường: Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận chặt chẽ về quy trình tổng hợp thủy nhiệt vật liệu perovskite ABO3, phản ứng nhiệt phân ngưng tụ tạo polymer liên hợp 2D g-C3N4, cùng các kỹ thuật giải đoán giản đồ XRD, phổ hồng ngoại FT-IR, phổ EDS mapping và phổ UV-vis DRS.
• Các nhà khoa học và giảng viên nghiên cứu vật liệu bán dẫn quang xúc tác: Luận văn mang lại nguồn dữ liệu thực nghiệm tin cậy về tính toán vị trí mức năng lượng biên ECB, EVB, cơ chế truyền điện tích tiếp xúc dị thể và phương pháp thực nghiệm bẫy gốc tự do quang hóa.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và cán bộ R&D tại các doanh nghiệp xử lý nước thải: Bản nghiên cứu là tài liệu tham chiếu quan trọng để xây dựng quy trình công nghệ oxy hóa nâng cao (AOPs), thiết lập các thông số vận hành tối ưu về hàm lượng xúc tác (0,375 g/L), nồng độ chất ô nhiễm và cường độ nguồn sáng kích thích.
• Các nhà quản lý khoa học công nghệ và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp bức tranh toàn diện về tiềm năng ứng dụng vật liệu xanh, thân thiện sinh thái, không chứa kim loại nặng độc hại, hỗ trợ quá trình thẩm định và cấp kinh phí cho các dự án chuyển giao công nghệ làm sạch môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần biến tính perovskite CaTiO3 bằng g-C3N4 thay vì sử dụng từng chất riêng lẻ?
Perovskite CaTiO3 có năng lượng vùng cấm rộng 3,52 eV nên chỉ hoạt động dưới bức xạ tử ngoại, trong khi g-C3N4 có vùng cấm 2,70 eV nhưng các hạt tải điện tái hợp rất nhanh. Việc lai ghép tạo dị thể g-C3N4/CaTiO3 giúp mở rộng hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến và kéo dài thời gian sống của cặp e-/h+, tăng hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm lên trên 90%.

2. Nhiệt độ thủy nhiệt 180°C có vai trò quyết định như thế nào đến chất lượng pha CaTiO3?
Nhiệt độ thủy nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình kết tinh. Ở 160°C, phản ứng chưa hoàn toàn và còn lẫn pha TiO2; trong khi ở 180°C, vật liệu đạt độ sạch pha 100%, tinh thể có kích thước nano tối ưu 30,0 nm. Nếu tăng lên 200°C, kích thước hạt tăng lên 32,0 nm làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc riêng.

3. Cơ chế chính thúc đẩy quá trình phân hủy Methylene Blue của vật liệu composit là gì?
Phản ứng phân hủy diễn ra chủ yếu thông qua các tác nhân oxy hóa cực mạnh gồm gốc tự do superoxide (.O2-) và lỗ trống quang sinh (h+). Thí nghiệm dập tắt gốc tự do với 1,4-benzoquinon và ammonium oxalate đã khẳng định hai tác nhân này chịu trách nhiệm chính trong việc phá hủy cấu trúc phân tử Methylene Blue thành CO2 và H2O.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định chính xác năng lượng vùng cấm của vật liệu?
Nghiên cứu sử dụng phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-vis DRS) trong dải bước sóng 200 đến 800 nm kết hợp hàm biến đổi Kubelka - Munk F(R) và phương pháp ngoại suy đồ thị Tauc (alpha.h.nu)^2 theo năng lượng photon h.nu để xác định giá trị Eg tại điểm uốn bờ hấp thụ.

5. Vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 có khả năng thu hồi và độ bền quang hóa ra sao?
Vật liệu thể hiện độ bền hóa học và độ ổn định cấu trúc tinh thể cao sau nhiều chu kỳ phản ứng. Nhờ cấu trúc liên kết dị thể bền vững, hạt xúc tác không bị quang ăn mòn và dễ dàng thu hồi bằng phương pháp ly tâm hoặc lắng lọc với hiệu suất duy trì trên 85% hoạt tính ban đầu.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu perovskite CaTiO3 đơn pha bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180°C trong 12 giờ với kích thước tinh thể nano trung bình 30,0 nm và độ tinh khiết cao.
• Chế tạo thành công vật liệu polymer bán dẫn g-C3N4 từ tiền chất melamine ở 520°C sở hữu năng lượng vùng cấm hẹp 2,70 eV.
• Chế tạo thành công hệ composit dị thể g-C3N4/CaTiO3 tỷ lệ khối lượng 1:1, mở rộng hiệu quả dải hấp thụ photon sang vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng lên đến 500 nm).
• Nâng cao vượt bậc hiệu suất phân hủy quang xúc tác phẩm nhuộm Methylene Blue (5 mg/L) đạt trên 90% dưới bức xạ đèn LED 30W, tuân theo động học bậc một Langmuir - Hinshelwood với hệ số R2 trên 0,98.
• Làm sáng tỏ cơ chế truyền hạt tải điện tại mặt tiếp xúc dị thể và xác định vai trò oxy hóa quyết định của các gốc tự do .O2- cùng lỗ trống quang sinh h+.

Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tiếp theo, nghiên cứu cần mở rộng thử nghiệm trên các hợp chất ô nhiễm hữu cơ dạng vết, thuốc bảo vệ thực vật và hoàn thiện kỹ thuật tạo màng cố định trên giá mang công nghiệp. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ oxy hóa nâng cao có thể kết nối, ứng dụng quy trình thực nghiệm này nhằm thúc đẩy thương mại hóa các giải pháp xử lý môi trường xanh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu - Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết - Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng Trong hóa học, khái niệm xúc tác quang dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hay nói cách khác quang xúc tác là quá trình xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.

Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống quang sinh và có sự trao đổi electron qua lại giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Việc sử dụng chất bán dẫn làm xúc tác quang hóa và áp dụng vào xử lý môi trƣờng đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm nhiều hơn các phƣơng pháp thông thƣờng khác vì một số ƣu điểm sau: nổi bật nhất là bản thân chất xúc tác không bị biển đổi trong suốt quá trình và không cần cung cấp năng lƣợng khác cho hệ phản ứng, ngoài ra nó cũng có thể thực hiện đƣợc ở nhiệt độ và áp suất thƣờng, có thể sử dụng ánh sáng nhân tạo hoặc bức xạ tự nhiên của mặt trời, chất xúc tác rẻ tiền và không độc hại. Sự phân bố vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện [18] Hình 1.1 cho thấy thành phần của các vùng điện tử trong chất rắn đƣợc xác định rõ ràng. Theo lý thuyết vùng, thì chất bán dẫn có ba vùng: vùng chứa 6 các obitan phân tử liên kết đƣợc sắp xếp đầy đủ các electron gọi là vùng hóa trị (VB-Valance band); vùng chứa các obitan phân tử liên kết sắp xếp còn trống electron đƣợc gọi là vùng dẫn (CB-Conduction band); vùng ngăn cách hai vùng trên gọi là vùng cấm (band gap), năng lƣợng vùng cấm Eg (Band gap energy) đặc trƣng cho độ chênh lệch giữa hai vùng dẫn và vùng hóa trị.

Khi đƣợc kích thích bởi một năng lƣợng đủ lớn (lớn hơn hoặc bằng năng lƣợng vùng cấm) thì electron từ vùng hóa trị (VB) vƣợt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn (CB) của chất bán dẫn. Kết quả là ở vùng hóa trị của chất bán dẫn chứa các lỗ trống mang điện tích dƣơng hay còn đƣợc gọi là lỗ trống quang sinh (photogenerated hole h+VB), còn vùng dẫn của chất bán dẫn lại chứa các electron mang điện tích âm hay còn gọi là electron quang sinh (photogenerated electron e-CB). Cơ chế phản ứng xúc tác quang của chất bán dẫn dƣới bức xạ đƣợc trình bày trong Hình 1. Cơ chế phản ứng của quang xúc tác [18] 7 Dƣới tác dụng của ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp, các electron hóa trị của các chất bán dẫn bị tách khỏi liên kết từ vùng hóa trị (VB) chuyển đến vùng dẫn (CB) tạo ra lỗ trống khuyết điện tử (mang điện tích dƣơng) ở vùng hóa trị.1) Các electron và lỗ trống chuyển đến bề mặt và tƣơng tác với một số chất bị hấp thụ nhƣ nƣớc và oxy tạo ra những chất tự do trên bề mặt chất bán dẫn.

Cơ chế phản ứng xảy ra nhƣ sau [32]: h +VB + H 2O   HO• + H + (1.4) - H 2O + eCB   HO• + HO- (1.5) h +VB + HO-   HO• (1.6) Các gốc tự do HO•, •O2- đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ. Khi tiếp xúc, chúng sẽ oxi hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ tạo sản phẩm CO2 và H2O. Lỗ trống mang điện tích dƣơng tự do chuyển động trong cùng hóa trị, do đó các electron khác có thể nhảy vào để bão hòa điện tích, đồng thời tạo ra lỗ trống tại vì trí mà nó đi khỏi. Các electron quang sinh trên vùng dẫn cũng có xu hƣớng kết hợp với lỗ trống quang sinh ở vùng hóa trị.

Quá trình này gọi là quá trình tái kết hợp của electron - lỗ trống quang sinh. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang Ngày nay, vật liệu xúc tác quang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý các nguồn nƣớc bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu vì đáp ứng 8 đƣợcyêu cầu về hiệu quả kinh tế và thân thiện môi trƣờng. Nhiều vật liệu mới đƣợc nghiên cứu với mục đích quan trọng nhất là hƣớng tới xúc tác hoạt động có hiệu quả dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời.

Nhƣ đã đề cập, cơ chế phản ứng quang xúc tác xảy ra nhiều giai đoạn khác nhau. Đối với các chất xúc tác tinh khiết, quá trình tái kết hợp của cặp điện tử - lỗ trống quang sinh xảy ra nhanh làm giảm đáng kể hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm ra các phƣơng pháp khác nhau để khắc phục nhƣợc điểm này. Một trong những phƣơng pháp đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học là phƣơng pháp tạo vật liệu composit.

Cơ chế phản ứng quang xúc tác trên vật liệu composit đƣợc trình bày trong Hình 1. Cơ chế phản ứng của vật liệu biến tính [14] Theo cơ chế này, khi chất bán dẫn đƣợc sự chiếu xạ của ánh sáng có Ehν ≥ Eg, các electron tách khỏi vùng hóa trị, nhảy lên vùng dẫn, tạo nên các cặp electron - lỗ trống quang sinh. 9 Tuy nhiên, khác với chất bán dẫn tinh khiết, electron quang sinh trên vùng dẫn ở chất bán dẫn A, thay vì trở lại vùng hóa trị kết hợp với lỗ trống quang sinh (nhƣ chất bán dẫn tinh khiết), chúng lại nhảy sang vùng dẫn của chất bán dẫn B. Quá trình này làm giảm khả năng tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh, nghĩa là làm tăng thời gian tồn tại electron và lỗ trống, nhờ đó tạo ra càng nhiều gốc tự do HO, O2-.

Đây là những gốc có tính oxy hóa rất mạnh, không chọn lọc, nhờ vậy nó làm tăng khả năng xúc tác quang của vật liệu. Vì vậy có thể thấy rằng, hoạt tính xúc tác quang của vật liệu biến tính tăng cao hơn so với các hợp phần riêng lẻ. Ví dụ nhƣ g-C3N4/Al2O3 [11], g- C3N4/BiFeO3 [26], g-C3N4/SrTiO3 [54]. đã cải thiện rõ rệt hoạt tính xúc tác so với các hợp phần ban đầu g-C3N4, CaTiO3, SrTiO3 và Al2O3.

Tóm lại, có thể thấy rằng phƣơng pháp tạo composit là một trong những hƣớng đi hiệu quả với mục đích làm tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Hƣớng nghiên cứu này có nhiều triển vọng và đã mở rộng việc khai thác tiềm năng xúc tác quang trong thực tiễn. GIỚI THIỆU VỀ CALCIUM TITANATE 1. Đặc điểm cấu trúc của calcium titanate Vật liệu CaTiO3 là vật liệu đầu tiên đƣợc tìm ra với cấu trúc ABO3 ở Nga, tên thông thƣờng của nó là “perovskit” biểu thị tên cho vật liệu dạng ABO3.

CaTiO3 gồm Ca2+ bên A và Ti4+ bên B, thuộc loại perovskit II - IV [6]. Cấu trúc perovskit do H. Megaw phát hiện lần đầu năm 1864 trong khoáng chất CaTiO3. Calcium titanate CaTiO3 có cấu trúc tinh thể lý tƣởng kiểu lập phƣơng với hằng số mạng a = b = c = 3,966 Å, α = β = γ = 90o, các nguyên tử định vị Ca (0; 0; 0), Ti (1/2; 1/2; 1/2), O1 (0; 1/2; 1/2), O2 (1/2; 0; 1/2), O3 (1/2; 1/2; 0) [2].

Mạng lƣới thuộc hệ lập phƣơng, cation Ti4+ nằm ở tâm lập phƣơng, 6 ion O2- nằm ở tâm các mặt, 8 ion Ca2+ nằm ở 8 đỉnh. Cấu trúc của vật liệu perovskite CaTiO3 [6] CaTiO3 là chất bán dẫn loại n, nó có năng lƣợng vùng cấm khoảng 3,45 eV. Ở kích thƣớc nanomet, khi kích thƣớc hạt giảm thì năng lƣợng vùng cấm tăng lên. Do vậy, CaTiO3 có thể hấp thụ photon vùng bƣớc sóng cao hơn.

Những tính chất này làm cho CaTiO3 nổi trội hơn một số perovskit khác trong các quá trình quang hóa. Cấu trúc đơn giản nhất của vật liệu ABO3 là cấu trúc khối. CaTiO3 kết tinh nhƣ một tế bào (Pbnm) tại nhiệt độ phòng. Cấu trúc này của CaTiO3 có năng lƣợng thuận lợi tại nhiệt độ phòng vì hệ số dung sai nhỏ khoảng 0,95.

Quá trình chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ lớn hơn 1530 K sang dạng cấu trúc khối Pm3m. Các bát diện TiO6 hình thành bị nghiêng và bị biến dạng do các nguyên tử A (Ca) xung quanh, dẫn đến vùng cấm của vật liệu CaTiO3 và các vật liệu titanate khác là khác nhau [6]. Phƣơng pháp tổng hợp calcium titanate CaTiO3 thuộc nhóm hợp chất quan trọng của họ perovskit. CaTiO3 đƣợc biết đến với tính chất điện môi, phát quang và bán dẫn cao [50].

Perovskit CaTiO3 đã đƣợc tổng hợp thành công và sử dụng hiệu quả cho quá 11 trình phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm nguồn nƣớc, nó cũng đƣợc sử dụng nhƣ quang xúc tác phân tách nƣớc dƣới bức xạ tia tử ngoại [13]. Có rất nhiều phƣơng pháp tổng hợp vật liệu CaTiO3 nhƣ phƣơng pháp trạng thái rắn, phƣơng pháp sol-gel hay phƣơng pháp thủy nhiệt. Trong đó phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc dùng khá phổ biến do một số lợi thế tạo đƣợc sản phẩm có độ tinh khiết cao, đồng nhất, tinh thể, kích thƣớc hạt có thể kiểm soát, hình thái tốt và dụng cụ tổng hợp cũng nhƣ quá trình điều khiển đơn giản hơn. Về phƣơng pháp này có thể kể đến Takeshi Kimijima và cộng sự [46] đã tổng hợp thành công từ các tiền chất chính titanium (IV) tetraisopropoxide và calcium (II) diisopropoxie.

Gaikwad và các cộng sự [43] đã tiến hành tổng hợp vật liệu CaTiO3 bằng phƣơng pháp nung ở pha rắn. Các tác giả đã nung hỗn hợp CaO và TiO2 trong lò nung với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút đến nhiệt độ khoảng 500 oC. Hỗn hợp chất rắn thu đƣợc đem làm nguội và nghiền trong 2 giờ, hỗn hợp thu đƣợc tiếp tục gia nhiệt đến nhiệt độ 1000 oC trong 20 giờ. Năm 2016, công trình tổng hợp vật liệu CaTiO3 bằng phƣơng pháp sol- gel đã đƣợc Kusuma Manjunath và các cộng sự công bố [20].

Theo nhóm tác giả, titanate đƣợc hòa tan trong dung dịch gồm H2O2 và NH3 tạo thành phức titanate - peroxo và đƣợc khuấy liên tục trong nƣớc đá khoảng 3 - 4 giờ thu đƣợc sol-gel có màu vàng. Trộn lƣợng sol-gel này với với tartaric acid theo tỉ lệ tƣơng ứng 1 : 5 đƣợc hỗn hợp màu cam. Sau đó thêm Ca(NO3)2.4H2O, dung dịch thu đƣợc đem đun nóng để loại bỏ H2O2 và NH3 dƣ. Tiếp tục đặt vào lò nung ở nhiệt độ 550 oC trong 90 phút, thu đƣợc CaTiO3.