Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang trên cơ sở titanium dioxit và porphyrin ứng dụng xử lý rhodamin b trong môi trường nước

Nghiên cứu vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin xử lý Rhodamin B trong nước. Tổng hợp, đặc tính, ứng dụng hiệu quả để giải quyết ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: GS. Trần Đại Lâm
• Trường học: Học Viện Khoa Học Và Công Nghệ
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Xúc Tác Quang Trên Cơ Sở Titanium Dioxit Và Porphyrin Ứng Dụng Xử Lý Rhodamin B Trong Môi Trường Nước
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về quang xúc tác
• 1.2. Điều kiện và cơ chế xúc tác quang
• 1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả của xúc tác quang
• 1.4. Một số vật liệu xúc tác quang
• 1.4.1. Vật liệu TiO2
• 1.4.1.1. Khái niệm và đặc trưng cơ bản của TiO2
• 1.4.1.2. Khả năng xúc tác quang của vật liệu TiO2
• 1.4.1.3. Phương pháp biến tính TiO2
• 1.4.2. Dẫn xuất porphyrin và nano porphyrin
• 1.4.2.1. Tổng hợp porphyrin cấu trúc nano bằng kỹ thuật tự lắp ráp
• 1.4.2.2. Đặc tính quang xúc tác của porphyrin cấu trúc nano tự lắp ráp
• 1.5. Hợp chất hữu cơ độc hại hoà tan trong nước
• 1.5.1. Tình hình ô nhiễm nguồn nước do chất hữu cơ độc hại
• 1.5.2. Phương pháp xử lý hợp chất hữu cơ độc hại trong nước
• 1.6. Tình hình nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang trên cơ sở TiO2 và porphyrin
• 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và nguyên liệu
• 2.2. Chế tạo nano porphyrin từ các phân tử TCPP, TTPAP và TTOP bằng phương pháp tự lắp ráp
• 2.3. Chế tạo vật liệu TiO2/TCPP
• 2.4. Chế tạo vật liệu lai graphene/Fe2O3-TiO2/TCPP (TFG@TCPP)
• 2.5. Khảo sát khả năng xúc tác quang phân hủy Rhodamin B của các hệ vật liệu trên cơ sở porpyrin cấu trúc nano
• 2.6. Đánh giá vai trò của các gốc tự do có trong quá trình xúc tác quang phân hủy RhB
• 2.7. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 2.7.1. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)
• 2.7.2. Phương pháp quang phổ phát xạ huỳnh quang (Fluorescence Emission Spectrum)
• 2.7.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7.4. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.7.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.7.6. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.7.7. Phương pháp quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.7.8. Phương pháp quang phổ điện tử tia X (XPS)
• 2.7.9. Xác định tổng hàm lượng carbon hữu cơ (TOC)
• 4. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp và đặc trưng tính chất của các hệ vật liệu
• 3.1.1. Vật liệu nano porphyrin TCPP
• 3.1.2. Vật liệu nano porphyrin TTPAP
• 3.1.3. Vật liệu nano porphyrin TTOP
• 3.1.4. Vật liệu TiO2/TCPP
• 3.1.5. Vật liệu graphene/Fe2O3-TiO2/TCPP (TFG/TCPP)
• 3.2. Đánh giá đặc tính quang xúc tác của các hệ vật liệu porphyrin cấu trúc nano
• 3.2.1. Khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu nano TCPP
• 3.2.2. Khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu nano TTPAP
• 3.2.3. Khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu (Nano TTOP)
• 3.2.4. Khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của các vật liệu nano TCPP, TTPAP và TTOP
• 3.2.5. Nghiên cứu khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu TiO2/TCPP
• 3.2.6. Nghiên cứu khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu TFG@TCPP
• 3.3. Đề xuất cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 3.3.1. Đề xuất cơ chế phản ứng xúc tác quang phân hủy RhB của các vật liệu nano đơn TCPP, TTPAP, TTOP
• 3.3.2. Đề xuất cơ chế xúc tác quang phân hủy RhB của hệ vật liệu TiO2/TCPP
• 3.3.3. Cơ chế xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu TFG@TCPP
• ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Nghiên cứu TiO2 Porphyrin Tổng Quan Xúc Tác Quang Tiên Tiến

Nghiên cứu vật liệu xúc tác quang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm môi trường gia tăng. TiO2 từ lâu đã được biết đến là một chất xúc tác hiệu quả, nhưng khả năng hấp thụ ánh sáng của nó còn hạn chế. Việc kết hợp TiO2 với Porphyrin, một hợp chất hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, hứa hẹn sẽ tạo ra một vật liệu xúc tác quang hiệu quả hơn, đặc biệt trong việc xử lý Rhodamine B. Luận án tiến sĩ của Nguyễn Tuấn Anh đã đi sâu vào nghiên cứu này, tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá khả năng phân hủy Rhodamine B của các vật liệu xúc tác quang trên cơ sở Titanium Dioxit và Porphyrin. Nghiên cứu này không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng các vật liệu đơn giản, kinh tế, với tiêu thụ năng lượng thấp và không gây độc hay ô nhiễm giúp phương pháp quang xúc tác trở nên hấp dẫn hơn.

1.1. Tổng quan về vật liệu xúc tác quang TiO2

TiO2 là một chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong xúc tác quang do tính ổn định hóa học, giá thành thấp và không độc hại. Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm lớn của TiO2 (3.2 eV) chỉ cho phép nó hấp thụ ánh sáng UV, hạn chế hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời. Biến tính TiO2 bằng cách kết hợp với các vật liệu khác là một phương pháp hiệu quả để mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của nó.

1.2. Vai trò của Porphyrin trong xúc tác quang

Porphyrin là một hợp chất hữu cơ dị vòng có cấu trúc phức tạp, có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến. Khi kết hợp với TiO2, Porphyrin có thể giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, từ đó cải thiện hiệu quả xúc tác quang. Một số nghiên cứu cho thấy vật liệu nano trên cơ sở porphyrin có khả năng loại bỏ tốt các hợp chất hữu cơ và thuốc nhuộm do hoạt tính xúc tác quang cao của chúng.

1.3. Ứng dụng xử lý Rhodamine B từ TiO2 Porphyrin

Rhodamine B là một loại thuốc nhuộm độc hại thường được sử dụng trong ngành dệt may và giấy. Việc xử lý Rhodamine B trong nước thải là một vấn đề cấp thiết để bảo vệ môi trường. Vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả để phân hủy Rhodamine B thành các chất ít độc hại hơn.

II. Ô nhiễm Rhodamine B Thách Thức Xử Lý Nước Thải Dệt Nhuộm

Ô nhiễm Rhodamine B từ các ngành công nghiệp dệt nhuộm và sản xuất giấy là một vấn đề môi trường nghiêm trọng. Rhodamine B là một chất gây ung thư và có thể gây hại cho sức khỏe con người và động vật. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn Rhodamine B. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý Rhodamine B hiệu quả hơn là rất cần thiết. Nghiên cứu của Nguyễn Tuấn Anh tập trung vào việc giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng vật liệu xúc tác quang có khả năng phân hủy Rhodamine B dưới tác dụng của ánh sáng. Công nghệ quang xúc tác được thiết lập dựa trên việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn và có thể được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý môi trường nói chung và xử lý nước nói riêng.

2.1. Tác hại của Rhodamine B đối với môi trường

Rhodamine B là một chất ô nhiễm dai dẳng trong môi trường, có thể tồn tại trong nước và đất trong thời gian dài. Nó có thể gây độc cho các sinh vật thủy sinh và ảnh hưởng đến chất lượng nước. Rhodamine B cũng có thể tích lũy trong chuỗi thức ăn, gây ra các vấn đề sức khỏe cho con người.

2.2. Các phương pháp xử lý Rhodamine B hiện tại

Các phương pháp xử lý Rhodamine B hiện tại bao gồm hấp phụ, keo tụ, lọc và oxy hóa. Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn kém, không hiệu quả hoặc tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Xúc tác quang là một phương pháp hứa hẹn để phân hủy Rhodamine B thành các chất ít độc hại hơn.

2.3. Ưu điểm của xúc tác quang trong xử lý Rhodamine B

Xúc tác quang là một phương pháp xử lý Rhodamine B thân thiện với môi trường, sử dụng năng lượng ánh sáng để phân hủy Rhodamine B. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ và áp suất phòng, và không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin có tiềm năng lớn trong việc xử lý Rhodamine B.

III. Cách Tổng Hợp TiO2 Porphyrin Phương Pháp Tự Lắp Ráp Nano

Nghiên cứu của Nguyễn Tuấn Anh tập trung vào việc tổng hợp vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin bằng phương pháp tự lắp ráp nano. Phương pháp này cho phép tạo ra các cấu trúc nano có kích thước và hình dạng được kiểm soát, từ đó tối ưu hóa tính chất quang xúc tác của vật liệu. Tự lắp ráp là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và tiết kiệm chi phí để tạo ra các vật liệu nano phức tạp. Kết hợp các vật liệu nano vô cơ như TiO2 và nano Porphyrin đã cải thiện đáng kể tính chất xúc tác quang do tăng cường mức độ hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu quả phân tách điện tích. Việc nghiên cứu các dẫn xuất porphyrin mới có hoạt tính xúc tác sử dụng ánh sáng cao là cần thiết để các nhà nghiên cứu cần tích cực hơn nữa trong lĩnh vực nghiên cứu này.

3.1. Phương pháp tự lắp ráp nano trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp tự lắp ráp nano là một kỹ thuật sử dụng các tương tác phân tử để tạo ra các cấu trúc nano tự tổ chức. Các phân tử tự lắp ráp thành các cấu trúc có trật tự mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp truyền thống, bao gồm tính đơn giản, hiệu quả và khả năng tạo ra các cấu trúc phức tạp.

3.2. Các bước tổng hợp TiO2 Porphyrin bằng tự lắp ráp

Quá trình tổng hợp TiO2/Porphyrin bằng phương pháp tự lắp ráp thường bao gồm các bước sau: (1) Tổng hợp các phân tử TiO2 và Porphyrin riêng lẻ. (2) Hòa tan các phân tử này trong một dung môi thích hợp. (3) Tạo điều kiện để các phân tử tự lắp ráp thành cấu trúc nano mong muốn. (4) Thu hồi và làm sạch vật liệu xúc tác quang.

3.3. Điều kiện tối ưu cho quá trình tự lắp ráp TiO2 Porphyrin

Các điều kiện tối ưu cho quá trình tự lắp ráp TiO2/Porphyrin phụ thuộc vào loại phân tử TiO2 và Porphyrin được sử dụng. Các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm dung môi, nhiệt độ, pH và nồng độ của các phân tử.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả TiO2 Porphyrin Phân Hủy Rhodamine B Tối Ưu

Nghiên cứu của Nguyễn Tuấn Anh đã đánh giá hiệu quả của vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin trong việc phân hủy Rhodamine B. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng phân hủy Rhodamine B hiệu quả hơn so với TiO2 đơn thuần. Điều này là do sự kết hợp của Porphyrin giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, từ đó tăng cường hiệu quả xúc tác quang. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu xúc tác này có khả năng tái sử dụng nhiều lần, làm tăng tính kinh tế và thân thiện với môi trường của phương pháp.

4.1. Phương pháp đánh giá hiệu quả phân hủy Rhodamine B

Hiệu quả phân hủy Rhodamine B thường được đánh giá bằng cách đo sự giảm nồng độ của Rhodamine B trong dung dịch theo thời gian dưới tác dụng của ánh sáng. Các phương pháp phân tích như UV-Vis spectroscopy và HPLC được sử dụng để đo nồng độ Rhodamine B.

4.2. So sánh hiệu quả của TiO2 Porphyrin với TiO2 đơn thuần

Kết quả nghiên cứu thường cho thấy TiO2/Porphyrin có hiệu quả phân hủy Rhodamine B cao hơn so với TiO2 đơn thuần. Điều này là do Porphyrin giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả phân tách điện tích của vật liệu.

4.3. Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác TiO2 Porphyrin

Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính kinh tế của một vật liệu xúc tác. Nghiên cứu thường đánh giá khả năng tái sử dụng của TiO2/Porphyrin bằng cách thực hiện nhiều chu kỳ phân hủy Rhodamine B liên tiếp và đo sự giảm hiệu quả của vật liệu.

V. Cơ Chế Phản Ứng Tìm Hiểu Sâu Quá Trình Xúc Tác Quang TiO2

Hiểu rõ cơ chế phản ứng xúc tác quang là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả của vật liệu. Trong trường hợp TiO2/Porphyrin, cơ chế phản ứng liên quan đến việc hấp thụ ánh sáng, tạo thành các cặp electron-lỗ trống, và sau đó là phản ứng của các cặp electron-lỗ trống này với Rhodamine B để phân hủy nó. Nghiên cứu của Nguyễn Tuấn Anh đã đề xuất các cơ chế phản ứng chi tiết cho các hệ vật liệu nano khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu.

5.1. Vai trò của electron lỗ trống trong xúc tác quang

Các cặp electron-lỗ trống được tạo ra khi TiO2 hấp thụ ánh sáng. Các electron có năng lượng cao có thể khử các chất ô nhiễm, trong khi các lỗ trống có thể oxy hóa các chất ô nhiễm. Sự tách biệt hiệu quả của các cặp electron-lỗ trống là rất quan trọng để ngăn chặn sự tái hợp của chúng và tăng cường hiệu quả xúc tác quang.

5.2. Phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu TiO2

Phản ứng oxy hóa khử xảy ra trên bề mặt vật liệu xúc tác quang, trong đó các electron và lỗ trống phản ứng với các chất ô nhiễm để phân hủy chúng. Quá trình này có thể liên quan đến sự hình thành của các gốc tự do, là các tác nhân oxy hóa mạnh.

5.3. Ảnh hưởng của Porphyrin đến cơ chế xúc tác quang

Porphyrin có thể ảnh hưởng đến cơ chế xúc tác quang bằng cách tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, cải thiện sự tách biệt của các cặp electron-lỗ trống và tạo ra các vị trí hoạt động trên bề mặt vật liệu.

VI. Triển Vọng Tương Lai TiO2 Porphyrin Ứng Dụng Xử Lý Nước Thải

Nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin có triển vọng lớn trong việc ứng dụng vào xử lý nước thải. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu này có thể dẫn đến các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường hơn. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu, cải thiện khả năng tái sử dụng và mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại chất ô nhiễm khác nhau.

6.1. Ứng dụng TiO2 Porphyrin trong xử lý nước thải công nghiệp

Vật liệu xúc tác quang TiO2/Porphyrin có thể được sử dụng để xử lý nước thải từ các ngành công nghiệp dệt may, giấy, hóa chất và dược phẩm, nơi có chứa nhiều chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy.

6.2. Nghiên cứu cải tiến vật liệu xúc tác quang TiO2 Porphyrin

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, tăng cường hiệu quả phân tách điện tích, và phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu đơn giản và hiệu quả hơn.

6.3. Hướng phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường

Việc phát triển các vật liệu xúc tác quang thân thiện với môi trường, sử dụng các vật liệu tái tạo và không độc hại, là một hướng đi quan trọng trong tương lai. Nghiên cứu về TiO2/Porphyrin có thể đóng góp vào việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu về quang xúc tác 1. Điều kiện và cơ chế xúc tác quang Xúc tác quang hóa là quá trình tăng tốc các phản ứng hóa học với sự có mặt của tác nhân thúc đẩy có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng, trong đó ánh sáng và chất bán dẫn đóng vai trò chính. Thuật ngữ này ám chỉ các phản ứng hóa học xảy ra khi chất xúc tác hấp thụ ánh sáng các vùng từ tử ngoại, khả kiến đến hồng ngoại để chuyển hóa năng lượng hoặc thực hiện các phản ứng hóa học trong đó có phản ứng phân hủy các hợp chất.

Gần đây, các nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang không ngừng mở rộng được minh chứng bằng số lượng lớn các bài báo được công bố hàng năm. Cho tới nay, hơn 190 chất bán dẫn khác nhau đã được nghiên cứu đánh giá khả năng xúc tác quang. Quang xúc tác được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý môi trường nói chung và xử lý nước nói riêng bởi những ưu điểm như: phản ứng phân hủy thường được diễn ra ở nhiệt độ và áp suất môi trường; xúc tác được chế tạo từ các vật liệu đơn giản, kinh tế, với tiêu thụ năng lượng thấp và không gây độc hay ô nhiễm. Vật liệu hấp thụ ánh sáng có vai trò xúc tác tăng tốc cho các phản ứng hóa học được gọi là chất/vật liệu xúc tác quang.

Công nghệ quang xúc tác được thiết lập dựa trên việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn [1]. Các phản ứng quang xúc tác có thể được phân thành hai loại trên cơ sở trạng thái vật lý của các chất tham gia phản ứng: - Phản ứng đồng thể diễn ra với chất bán dẫn và chất phản ứng tồn tại cùng pha với nhau. - Phản ứng dị thể được thực hiện với chất bán dẫn và chất phản ứng ở khác pha với nhau. Độ rộng vùng cấm (Eg) chính là độ chênh lệch năng lượng của vùng hóa trị (HOMO) và vùng dẫn (LUMO).

Dựa vào đó, các vật liệu được phân thành ba loại cơ bản (Hình 1. 5 (1) Kim loại hoặc dây dẫn: Eg < 1.0 eV (2) Chất bán dẫn: Eg < 1.5 – 3 eV (3) Chất cách điện: Eg > 5. Phân loại vật liệu theo độ rộng vùng cấm. Theo phân loại này, chất bán dẫn (Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện.

Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện ngay cả ở nhiệt độ phòng và khi có ánh sáng nó hoạt động như một chất quang xúc tác. Khi chất này tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng thích hợp và đủ năng lượng, photon được hấp thụ bởi một electron (e-) của vùng hóa trị (VB) và bị kích thích đẩy lên vùng dẫn (CB). Trong quá trình này, một lỗ trống (h+) được tạo ra ở vùng dẫn. Kết quả của quá trình này là hình thành trạng thái kích thích quang của cặp e- và h+ được tạo ra.

Lúc này trên vùng dẫn sẽ có các electron (mang điện âm) được gọi là electron quang sinh còn trên vùng hóa trị sẽ có các lỗ trống (mang điện dương) được gọi là lỗ trống quang sinh. Khi phản ứng diễn ra, các lỗ trống này tách nhau ra theo điện tích và di chuyển tới bề mặt của vật liệu quang xúc tác, đóng vai trò là các tác nhân oxy hóa (h+) và khử (e-) rất mạnh. Có bốn cách mà chất bán dẫn và chất nền tương tác với nhau theo vị trí tương đối của các vùng hóa trị và vùng dẫn và mức oxy hóa khử. Bốn cách kết hợp khác nhau là (Hình 1.2): 6 (1) Sự khử của vật liệu xảy ra khi mức oxy hóa khử của nó thấp hơn dải dẫn của chất bán dẫn.

(2) Sự oxy hóa vật liệu diễn ra khi mức oxy hóa khử của nó cao hơn dải hóa trị của chất bán dẫn. (3) Khi mức oxy hóa-khử của vật liệu cao hơn dải dẫn và thấp hơn dải hóa trị của chất bán dẫn thì không thể xảy ra sự oxy hóa hoặc sự khử. (4) Khi mức oxy hóa khử của vật liệu thấp hơn dải dẫn và cao hơn dải hóa trị thì cả sự khử và sự oxy hóa đều diễn ra. Khả năng phản ứng khác nhau (A) xảy ra phản ứng khử; (B) xảy ra phản ứng oxy hoá; (C) xảy ra phản ứng oxy hoá-khử; (D) không diễn ra phản ứng.

Chất quang xúc tác có thể được sử dụng cho việc chống bám bẩn, chống sương mù, tích trữ và chuyển hóa năng lượng, khử mùi, tiệt trùng, tự làm sạch, làm sạch không khí, xử lý nước thải, v. Chất bán dẫn hoạt động như một chất kích thích cho các quá trình quang oxy hóa-khử nhờ cấu trúc điện tử của chúng. Một số chất bán dẫn có khả năng xúc tác quang cho quá trình khoáng hóa hoàn toàn nhiều chất ô nhiễm hữu cơ như hợp chất thơm, hydrocarbon chứa halogen, thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, thuốc nhuộm và chất hoạt động bề mặt. Chất bán dẫn quang xúc tác đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học công nghệ vì nó khắc phục được các hạn chế liên quan đến sự tái tổ hợp của điện tích trái dấu [2].

Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả của xúc tác quang Tốc độ oxy hóa và hiệu quả của hệ xúc tác quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố vận hành của quá trình phân hủy phân tử hữu cơ mang màu (bao gồm thuốc nhuộm) dưới điều kiện có ánh sáng. Nhiều nghiên cứu đã đánh giá các yếu tố này bao gồm [3-6]: 1. Ảnh hưởng của nồng độ đầu Quá trình xúc tác quang phân hủy phụ thuộc vào sự hấp phụ của thuốc nhuộm lên bề mặt chất xúc tác quang. Nồng độ ban đầu của thuốc nhuộm ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ.

Khi hàm lượng chất xúc tác cố định, nồng độ đầu của thuốc nhuộm tăng thì quá trình phân hủy sẽ giảm, và ngược lại [7]. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Hàm lượng chất xúc tác dị thể ảnh hưởng đến mức độ phân hủy của thuốc nhuộm. Khi hàm lượng xúc tác quang dị thể tăng thì quá trình quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm sẽ tăng do có sự gia tăng vị trí và mật độ hoạt động diễn ra trên bề mặt vật liệu xúc tác, do đó làm tăng sự hình thành số lượng gốc •OH có thể tham gia vào sự phân hủy thuốc nhuộm. Khi tăng hàm lượng xúc tác quang quá một giới hạn nhất định, bức xạ của tia cực tím bị ngăn cản tiếp xúc với dung dịch và thuốc nhuộm làm giảm hiệu quả phân hủy chúng [8].

Ảnh hưởng của pH dung dịch Quá trình phân hủy thuốc nhuộm có mặt xúc tác quang bị ảnh hưởng bởi độ pH của dung dịch. Thay đổi pH dung dịch làm điện tích bề mặt của vật liệu và thế năng của các phản ứng xúc tác cũng biến đổi theo, từ đó ảnh hưởng đến quá trình thuốc nhuộm hấp phụ trên bề mặt của vật liệu dẫn đến tốc độ phản ứng không được giữ nguyên. Trong điều kiện axit hoặc kiềm, bề mặt vật liệu có thể bị proton hóa hoặc khử proton. Một số yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp phụ của thuốc nhuộm bao gồm: bản chất và nồng độ đầu của thuốc nhuộm, pH của dung dịch, diện tích bề mặt và bản chất của chất xúc tác 8 quang [9].

pH tác động đến điện tích bề mặt của chất xúc tác quang. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm thấp nhất khi pH của dung dịch trùng với điểm đẳng điện (điểm không mang điện tích) của vật liệu xúc tác. Bề mặt của vật liệu xúc tác tích điện dương hay tích điện âm khi pH của dung dịch nhỏ hơn hay lớn hơn điểm đẳng điện của vật liệu [10]. Hình thái học và đặc trưng bề mặt của vật liệu xúc tác Hình thái, kích thước và cấu trúc của vật liệu xúc tác quang ảnh hưởng mạnh đến quá trình phân hủy dưới điều kiện chiếu bức xạ, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tác động tương hỗ giữa các hợp chất hữu cơ và độ che phủ bề mặt chất xúc tác [11].

Diện tích bề mặt của xúc tác cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình quang phân hủy là do các phản ứng hóa học chủ yếu đều xảy ra trên bề mặt vật liệu. Các vật liệu nano với kích thước một hoặc nhiều chiều dưới 20 nm thường được quan tâm hơn do đặc tính của chúng có thể khác biệt rõ so với các vật liệu kích thước lớn hơn [12]. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Giống như các phản ứng hóa học thông thường, hiệu quả phân hủy quang xúc tác tăng khi nhiệt độ phản ứng tăng. Tuy nhiên, mỗi vật liệu xúc tác đều có giới hạn nhiệt độ phản ứng khác nhau.

Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn này, quá trình tái tổ hợp của các điện tích diễn ra thuận lợi làm giảm khả năng hấp phụ các chất hữu cơ mang màu lên bề mặt vật liệu xúc tác. Ví dụ, đối với hệ xúc tác TiO2, nhiệt độ hiệu quả nhất (được xem là tối ưu) cho quá trình phân hủy quang xúc tác đối với các chất hữu cơ là từ 20 đến 80°C và đạt được hiệu quả quang hóa cao [13]. Ảnh hưởng của ion vô cơ Khả năng phân hủy quang xúc tác của các hợp chất hữu cơ có thể bị ảnh hưởng bởi các ion vô cơ bao gồm cation kim loại như kẽm, đồng, magie, sắt… anion bicarbonat, photphat, nitrat, sunfat, clorua… có trong nước. Đó là do chúng có thể được hấp phụ làm giảm các vị trí hoạt động trên bề mặt của 9 vật liệu, gây cản trở các phản ứng phân hủy.

Một số nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá tác động của các ion vô cơ (anion và cation) đến sự phân hủy của các chất hữu cơ khi sử dụng TiO2 làm chất xúc tác quang [14]. Ở một nồng độ nhất định, một số ion như đồng, sắt hay phốt phát có thể làm giảm hiệu suất xúc tác quang phân hủy hợp chất hữu cơ của vật liệu. Ngược lại, sự có mặt của các ion như canxi, magiê và kẽm ở trạng thái oxy hóa cao thường không cản trở quá trình phân hủy, do đó gần như không ảnh hưởng đến sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ [15]. Các anion vô cơ khác như nitrat, clorua, carbonat và sunfat cũng được phát hiện ra là có tác dụng cản trở hoạt động bề mặt của chất xúc tác quang.

Sự có mặt của các muối này làm giảm tính ổn định của bề mặt vật liệu, tăng khả năng truyền khối và giảm sự tiếp xúc bề mặt giữa chất ô nhiễm và chất xúc tác quang [16].