Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Biến Tính Bởi g-C3N4 Làm 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.