Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano SrTiO3 trên nền ống nano cacbon đa lớp

Luận văn: Quang xúc tác của nano SrTiO3 trên ống nano cacbon - Ma Văn Chiến, ĐH Sư phạm Thái Nguyên

• Tác giả: Ma Văn Chiến
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Đức Nguyên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano SrTiO3 trên nền ống nano cacbon đa lớp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan vật liệu nano SrTiO3 trên ống nano cacbon

Nghiên cứu về vật liệu nano SrTiO3 trên ống nano cacbon được thực hiện tại Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên. Đề tài tập trung vào việc chế tạo hệ vật liệu quang xúc tác dị thể tiên tiến. Vật liệu SrTiO3 có cấu trúc perovskite với độ bền hóa học cao và khả năng chống quang ăn mòn tốt. Tuy nhiên, SrTiO3 có độ rộng vùng cấm tương đối lớn. Điều này giới hạn khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến của vật liệu tinh khiết. Ống nano cacbon đa lớp MWCNTs sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn cùng khả năng dẫn truyền điện tử vượt trội. Khi phân tán các hạt nano SrTiO3 lên bề mặt MWCNTs, vật liệu tạo ra mạng lưới phân tán đồng đều. Hệ tổ hợp này giúp mở rộng bề mặt tiếp xúc với các chất ô nhiễm hữu cơ. Đồng thời, MWCNTs đóng vai trò chất thu nhận điện tử nhằm ngăn chặn sự tái tổ hợp electron và lỗ trống. Nhờ đó, hiệu suất xúc tác quang hóa được gia tăng rõ rệt dưới nguồn kích thích quang học. Nghiên cứu của Đại học Sư phạm Thái Nguyên cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho lĩnh vực vật liệu xử lý môi trường.

1.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất bán dẫn SrTiO3

Strontium titanate mang công thức hóa học SrTiO3, kết tinh ở cấu trúc tinh thể perovskite lập phương đối xứng. Vật liệu này có hằng số điện môi cao cùng tính ổn định nhiệt vượt trội. Vùng cấm của SrTiO3 có độ rộng khoảng 3,2 eV, tương đương với TiO2 dạng anatase. Dưới tác động của năng lượng photon lớn hơn vùng cấm, các điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Quá trình này đồng thời sinh ra các lỗ trống mang điện tích dương tại vùng hóa trị. Cả điện tử và lỗ trống quang hóa đều tham gia vào các chuỗi phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt hạt nano. Tuy vậy, giới hạn quang phổ chủ yếu trong vùng tử ngoại khiến SrTiO3 nguyên bản chưa tận dụng tối đa năng lượng mặt trời.

1.2. Vai trò giá đỡ của ống nano cacbon đa lớp MWCNTs

Ống nano cacbon đa lớp MWCNTs đóng vai trò chất nền lý tưởng trong các hệ xúc tác quang nano lai hóa. Ống MWCNTs có độ dẫn điện kim loại cao và diện tích tiếp xúc lớn. Mạng lưới này thu hút các hạt nano SrTiO3 phân bố đồng đều trên các vách ống. Chức năng chính của MWCNTs là thu nhận điện tử quang sinh từ vùng dẫn của chất bán dẫn. Việc chuyển dời điện tử nhanh chóng giúp kéo dài thời gian sống của các lỗ trống quang hóa. Lỗ trống tự do dễ dàng oxy hóa nước để tạo ra các gốc hydroxyl tự do có tính hoạt hóa cực mạnh. Sự cộng hưởng này nâng cao đáng kể khả năng phân hủy chất màu hữu cơ so với các vật liệu đơn lẻ ban đầu.

II. Hạn chế quang xúc tác vật liệu nano SrTiO3 trên ống nano cacbon

Quá trình ứng dụng vật liệu SrTiO3 thuần túy trong xử lý môi trường gặp phải nhiều trở ngại kỹ thuật. Vấn đề lớn nhất là tốc độ tái tổ hợp giữa electron kích thích và lỗ trống quang hóa diễn ra rất nhanh. Sự tái tổ hợp này tiêu hao phần lớn năng lượng hấp thụ trước khi các phản ứng hóa học kịp xảy ra. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy phẩm màu metylen xanh của SrTiO3 tinh khiết chỉ đạt 41,02% sau 240 phút chiếu sáng. Khi kết hợp SrTiO3 lên ống nano cacbon MWCNTs, hiệu suất phân hủy có cải thiện nhưng chỉ tăng lên 47,27%. Mức tăng này chưa đáp ứng yêu cầu xử lý quy mô công nghiệp thực tế. Nguyên nhân là do vật liệu vẫn chưa thể mở rộng dải hấp thụ quang học sâu vào vùng ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng mặt trời tự nhiên chứa đến 45% bức xạ khả kiến, trong khi vùng tử ngoại chỉ chiếm khoảng 4%. Nếu không biến tính cấu trúc dải năng lượng, hệ vật liệu SrTiO3/MWCNTs lãng phí phần lớn quang năng tự nhiên. Do đó, việc nghiên cứu bổ sung chất biến tính oxit kim loại chuyển tiếp trở thành giải pháp cốt lõi để bứt phá hiệu năng.

2.1. Tốc độ tái tổ hợp cặp điện tử và lỗ trống quang sinh

Trong các phản ứng quang xúc tác bán dẫn, thời gian sống của cặp điện tử - lỗ trống quyết định trực tiếp đến hiệu năng. Khi ánh sáng kích hoạt bề mặt SrTiO3, electron vùng dẫn và lỗ trống vùng hóa trị sinh ra tức thời. Tuy nhiên, lực hút tĩnh điện mạnh mẽ thường kéo hai hạt điện tích này tái kết hợp chỉ sau vài nano giây. Quá trình tái tổ hợp giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc bức xạ thứ cấp vô ích. Hiện tượng này làm sụt giảm nghiêm trọng mật độ gốc tự do oxy hóa mạnh như hydroxyl và superoxide trên bề mặt vật liệu. Hậu quả là tốc độ phân hủy các phân tử chất màu metylen xanh bị kìm hãm ở mức rất thấp.

2.2. Vùng hấp thụ ánh sáng hẹp và hiệu suất phân hủy metylen xanh

Metylen xanh là hợp chất màu cation có cấu trúc dị vòng thơm rất bền vững trong môi trường nước. Hợp chất này thường xuất hiện trong nước thải ngành dệt nhuộm và gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Năng lượng vùng cấm 3,2 eV của SrTiO3 đòi hỏi nguồn bức xạ có bước sóng ngắn hơn 387 nm. Khi chiếu đèn halogen mô phỏng ánh sáng thông thường, vật liệu SrTiO3 nguyên khối chỉ phân hủy được 41,02% lượng chất màu. Dù có thêm ống nano MWCNTs, tỷ lệ phân hủy cũng chỉ dừng lại ở mức 47,27%. Sự hạn chế về vùng quang phổ kích thích khiến hệ xúc tác chưa thể xử lý triệt để nước thải trong điều kiện chiếu sáng tự nhiên hàng ngày.

III. Biến tính quang xúc tác vật liệu nano SrTiO3 trên ống nano cacbon

Nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã đề xuất giải pháp biến tính hệ vật liệu bằng đồng oxit CuO. Phương pháp tổng hợp kết hợp đồng tạo tủa và xử lý thủy nhiệt được áp dụng để chế tạo nanocomposite x%CuO/SrTiO3/MWCNTs. Trong cấu trúc này, CuO đóng vai trò là bán dẫn loại p kết hợp với bán dẫn loại n của SrTiO3. Sự phối hợp dị thế p-n này tạo nên một hàng rào điện thế nội tại phân tách điện tích cực kỳ mạnh mẽ. Thực nghiệm đã khảo sát các tỷ lệ nồng độ CuO biến tính từ 1%, 3% đến 5% khối lượng. Kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán DRS khẳng định sự dịch chuyển bờ hấp thụ mạnh về phía ánh sáng nhìn thấy. Khi hàm lượng CuO tăng dần, khả năng thu nhận ánh sáng khả kiến của vật liệu tăng trưởng rõ rệt. Dưới nguồn sáng đèn halogen sau 240 phút, hiệu suất phân hủy metylen xanh tăng từ 56,08% ở mẫu 1% CuO lên 71,21% ở mẫu 5% CuO. Phương pháp biến tính này giải quyết triệt để bài toán mở rộng dải phổ và hạn chế tái tổ hợp hạt mang điện.

3.1. Phương pháp chế tạo hệ vật liệu nano tổ hợp CuO SrTiO3 MWCNTs

Quy trình chế tạo hệ vật liệu tổ hợp được thực hiện theo các bước hóa học kiểm soát nghiêm ngặt. Ban đầu, các hạt nano SrTiO3 được tổng hợp bằng phản ứng thủy nhiệt từ tiền chất titan và stronti. Ống nano cacbon MWCNTs được xử lý bề mặt bằng axit để tạo ra các nhóm chức carboxyl phân cực. Tiếp theo, tiền chất đồng được hòa tan và kết tủa đồng đều lên hệ nền SrTiO3/MWCNTs theo các tỷ lệ 1%, 3% và 5%. Mẫu sau đó trải qua quá trình nung ở nhiệt độ thích hợp để chuyển hóa thành pha tinh thể oxit đồng CuO. Kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua TEM xác nhận các hạt oxit bám dính bền vững trên mạng ống MWCNTs.

3.2. Cơ chế phân tách điện tích và nâng cao hiệu suất phân hủy

Cơ chế phân hủy quang xúc tác nâng cao hình thành dựa trên sự đồng hành của tiếp xúc dị thể và mạng dẫn. Khi hấp thụ photon, electron nhảy lên vùng dẫn của SrTiO3 và nhanh chóng di chuyển sang ống nano cacbon MWCNTs. Đồng thời, lỗ trống vùng hóa trị của SrTiO3 di chuyển sang vùng hóa trị của các hạt nano CuO. Sự chuyển dời hai chiều đối nghịch này ngăn ngừa triệt để hiện tượng tái tổ hợp hạt mang điện. Các lỗ trống tự do oxy hóa phân tử nước tạo ra các gốc tự do hydroxyl HO• mang thế oxy hóa mạnh 2,8 V. Gốc HO• tấn công trực tiếp mạch vòng metylen xanh, bẻ gãy cấu trúc và chuyển hóa thành CO2 cùng H2O vô hại.

IV. Ứng dụng quang xúc tác vật liệu nano SrTiO3 trên ống nano cacbon

Công trình nghiên cứu tại Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn của đề tài. Việc biến tính 5% CuO giúp hệ xúc tác đạt hiệu suất phân hủy quang hóa ấn tượng 71,21% đối với chất màu metylen xanh. Đây là tiền đề khoa học vững chắc để phát triển các module màng lọc xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm và hóa chất. Cấu trúc ống MWCNTs không chỉ cải thiện khả năng truyền dẫn điện tử mà còn gia tăng độ bền cơ lý cho hạt nano xúc tác. Nhờ khả năng hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến, vật liệu giúp giảm thiểu chi phí năng lượng khi vận hành xử lý nước thải. Công nghệ quang xúc tác dị thể này không phát sinh bùn lắng thứ cấp độc hại sau chu trình phản ứng. Các hợp chất hữu cơ độc hại được khoáng hóa hoàn toàn thành khí cacbonic và nước vô hại. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi đầy triển vọng trong việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác nano nhiều lần. Sự phát triển này đóng góp thiết thực vào chiến lược bảo vệ môi trường nước bền vững tại Việt Nam.

4.1. Tiềm năng xử lý nước thải dệt nhuộm và hợp chất hữu cơ khó phân hủy

Nước thải ngành công nghiệp may mặc và dệt nhuộm chứa hàm lượng phẩm màu hữu cơ cùng muối khoáng rất cao. Các phân tử màu như metylen xanh có độc tính và làm suy giảm khả năng quang hợp của thủy sinh vật. Vật liệu quang xúc tác 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs cho thấy khả năng phá vỡ cấu trúc dị vòng bền vững của phẩm màu dưới ánh sáng thường. Hệ xúc tác xử lý triệt để màu nước và làm giảm mạnh chỉ số COD trong mẫu thử nghiệm thực tế. Khả năng hoạt động ổn định giúp vật liệu trở thành ứng viên sáng giá để tích hợp vào các bể quang xúc tác xử lý nước liên tục. Giải pháp này đáp ứng các quy chuẩn xả thải môi trường nghiêm ngặt hiện nay.

4.2. Hướng phát triển công nghệ tái sử dụng xúc tác nano tại thực địa

Khả năng thu hồi và tái sinh vật liệu xúc tác là yếu tố quyết định hiệu quả kinh tế trong ứng dụng thực tế. Nhờ khung nền ống nano cacbon MWCNTs, vật liệu tổ hợp dễ dàng lắng tách ly tâm hoặc cố định lên các tấm nền xốp. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu duy trì độ bền tinh thể ổn định sau nhiều chu trình phân hủy liên tiếp. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tạo hạt composite dạng hạt hoặc tích hợp vào màng lọc quang xúc tác dòng chảy. Giải pháp kỹ thuật này giúp ngăn chặn sự thất thoát hạt nano ra nguồn nước tự nhiên, đồng thời hạ thấp chi phí vận hành cho nhà máy. Đây là bước tiến then chốt đưa nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thực địa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng ô nhiễm nguồn nước do chất thải công nghiệp đang là thách thức nghiêm trọng trên toàn cầu, trong đó hơn 80% lượng nước thải dệt nhuộm chưa qua xử lý triệt để có chứa các hợp chất hữu cơ độc hại khó phân hủy sinh học. Đáng chú ý, phẩm màu metylen xanh chiếm tỷ trọng lớn trong nhóm thuốc nhuộm cation dị vòng thơm, gây tổn hại trực tiếp đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người khi nồng độ tích tụ vượt ngưỡng an toàn. Để xử lý triệt để các chất ô nhiễm này, công nghệ quang xúc tác bán dẫn nổi lên như một giải pháp xanh giàu tiềm năng nhờ khả năng khoáng hóa hoàn toàn chất hữu cơ thành nước và khí cacbonic mà không sinh ra bùn thải thứ cấp.

Trong số các chất quang xúc tác tiên tiến, stronti titanat với công thức SrTiO3 thuộc họ vật liệu có cấu trúc perovskite ABO3 nhận được sự chú ý đặc biệt nhờ độ bền quang hóa vượt trội và hoạt tính oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, SrTiO3 đơn pha bộc lộ hạn chế cố hữu là năng lượng vùng cấm khá rộng, đạt mức 3,23 eV đến 3,4 eV, đồng nghĩa với việc vật liệu chỉ hấp thụ bức xạ trong vùng tử ngoại, vốn chỉ chiếm dưới 5% tổng năng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất. Bên cạnh đó, khi sử dụng ở dạng bột nano huyền phù, các hạt SrTiO3 dễ bị tụ tập và cản trở sự truyền quang, gây khó khăn lớn cho việc thu hồi sau xử lý.

Nghiên cứu của học viên Ma Văn Chiến tại Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên vào năm 2021 đã giải quyết căn bản nút thắt công nghệ này. Luận văn đặt mục tiêu tổng hợp thành công tổ hợp vật liệu compozit nano x%CuO/SrTiO3 trên nền ống nano cacbon đa lớp (MWCNTs), nhằm thu hẹp khoảng cách vùng cấm quang học về vùng ánh sáng khả kiến (chiếm khoảng 45% năng lượng bức xạ mặt trời) và tối ưu hóa khả năng phân tách điện tích. Ý nghĩa thực tiễn của công trình được chứng minh thông qua các chỉ số đo lường vượt trội: nâng hiệu suất phân hủy quang hóa metylen xanh từ mức khiêm tốn 41,02% của SrTiO3 nguyên chất lên tới 71,21% ở mẫu tối ưu sau 240 phút chiếu sáng dưới nguồn đèn halogen công suất 500W. Kết quả này đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu nano perovskite biến tính vào xử lý môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng vững chắc của hai lý thuyết then chốt: Lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn và Lý thuyết chuyển dịch điện tích qua tiếp xúc dị thể p-n. Khi một chất bán dẫn tiếp nhận photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), các electron ở vùng hóa trị (VB) sẽ nhảy lên vùng dẫn (CB), đồng thời để lại các lỗ trống mang điện tích dương (h+) ở vùng hóa trị. Để hạn chế sự tái hợp nhanh chóng của cặp e-/h+, mô hình nghiên cứu đã tích hợp oxit đồng CuO (chất bán dẫn loại p có vùng cấm hẹp khoảng 1,2 eV đến 1,7 eV) với SrTiO3 (chất bán dẫn loại n có vùng cấm rộng 3,23 eV) nhằm tạo nên tiếp xúc dị thế p-n, thúc đẩy sự phân tách điện tích theo hai hướng ngược chiều.

Bên cạnh đó, mô hình còn khai thác ba khái niệm cốt lõi:

1. Cấu trúc mạng tinh thể lập phương perovskite của SrTiO3 với các cation titan nằm ở tâm khối bát diện oxy, tạo ra độ ổn định hóa nhiệt cao.
2. Năng lượng vùng cấm quang học, đại lượng quyết định khả năng đáp ứng bước sóng ánh sáng kích thích.
3. Cơ chế oxy hóa nâng cao thông qua các gốc tự do hoạt tính cao như gốc hydroxyl HO• sở hữu thế oxy hóa khử chuẩn lên tới +2,8V và gốc anion superoxide •O2-, có khả năng bẻ gãy không chọn lọc các liên kết vòng benzen của phân tử chất màu. Đồng thời, vật liệu carbon nano dạng ống đa lớp MWCNTs đóng vai trò chất dẫn truyền điện tử nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc electron linh động cao.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ từ tháng 1 đến tháng 10 năm 2021 tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành của Đại học Thái Nguyên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng các viện nghiên cứu đầu ngành tại Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 hệ mẫu tổng hợp có kiểm soát: SrTiO3 tinh khiết, MWCNTs đơn lẻ, 3 mẫu SrTiO3 biến tính CuO với hàm lượng 1%, 3%, 5% khối lượng, mẫu tổ hợp SrTiO3/MWCNTs, và chuỗi 3 mẫu biến tính toàn phần x%CuO/SrTiO3/MWCNTs (với x tương ứng là 1%, 3% và 5%). Phương pháp chọn mẫu áp dụng theo nguyên tắc kiểm soát biến thiên nồng độ tiền chất định mức nhằm đánh giá chính xác tác động hiệp đồng của từng cấu tử.

Vật liệu được chế tạo thông qua lộ trình công nghệ hai giai đoạn: phương pháp sol-gel tạo tiền chất titanat từ tetra butylorthotitanat và muối stronti nitrat, sau đó nung định hình tinh thể ở nhiệt độ 500 °C trong 4 giờ; tiếp theo là phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 120 °C trong 4 giờ để gắn kết các hạt nano lên khung nền MWCNTs. Lý do lựa chọn hệ giải pháp này là khả năng khống chế kích thước hạt nano đồng nhất dưới 20 nm, tạo độ phân tán cao và liên kết cơ hóa bền vững giữa oxit kim loại với mạng carbon ở điều kiện nhiệt độ vừa phải.

Các mẫu vật liệu được phân tích cấu trúc và hình thái bằng hệ thống thiết bị hiện đại: Nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Bruker D2 PHASER nhận diện thành phần pha tinh thể; Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) trên thiết bị Hitachi S-4800 xác định định tính và định lượng thành phần nguyên tố; Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL JEM-1010 quan sát cấu trúc vi mô; Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (DRS) trên máy Cary 5000 UV-Vis-NIR xác định bờ hấp thụ và năng lượng vùng cấm theo mô hình chuyển mức Wood-Tauc; và Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis trên máy Shimadzu UV-1700 đo mật độ quang của metylen xanh tại bước sóng cực đại 663 nm. Phương pháp trắc quang UV-Vis được lựa chọn nhờ độ nhạy vượt trội và tính tin cậy cao, thể hiện qua đường chuẩn định lượng nồng độ có hệ số tương quan tuyến tính R2 đạt mức tuyệt đối 0,99.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, phân tích hình thái học bằng ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác nhận các hạt nano SrTiO3 chế tạo được có dạng hình cầu đồng nhất với kích thước hạt trung bình chỉ khoảng 10 nm. Các hạt nano này phân bố đều đặn và bám dính chắc chắn trên bề mặt các sợi ống nano cacbon đa lớp MWCNTs mà không hề làm biến dạng hoặc phá vỡ cấu trúc ống rỗng của vật liệu mang. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) khẳng định sản phẩm kết tinh hoàn toàn ở pha lập phương perovskite tiêu chuẩn với các đỉnh phản xạ sắc nét tại các góc 2θ bằng 32,4° ứng với mặt mạng (110) và 39,9° ứng với mặt mạng (111).

Thứ hai, kết quả phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) chứng minh độ tinh khiết cao của hệ vật liệu tổ hợp. Tại mẫu 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs, kết quả định lượng ghi nhận hàm lượng nguyên tố stronti (Sr) đạt 41,32%, titan (Ti) đạt 4,84%, oxy (O) chiếm 38,84%, cacbon (C) đạt 14,41% và đồng (Cu) đạt 0,59%. Sự hiện diện đồng thời của pic cacbon và pic đồng khẳng định quá trình biến tính và gắn kết pha đã diễn ra triệt để trên bề mặt xúc tác.

Thứ ba, kỹ thuật đo phổ phản xạ khuếch tán DRS kết hợp xử lý đồ thị hàm số Wood-Tauc cho thấy năng lượng vùng cấm quang học (Eg) của vật liệu đã giảm ngoạn mục từ 3,23 eV ở mẫu SrTiO3 ban đầu xuống còn 2,41 eV ở mẫu tổ hợp 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs. Mức suy giảm 0,82 eV (tương đương giảm 25,38% rào cản năng lượng) đã chuyển dịch mạnh mẽ bờ hấp thụ quang của vật liệu từ vùng tử ngoại sang toàn bộ vùng ánh sáng nhìn thấy.

Thứ tư, hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh tăng trưởng tỷ lệ thuận với tỷ lệ biến tính CuO trên nền chất mang carbon. Cụ thể, sau 240 phút chiếu xạ đèn halogen 500W, mẫu SrTiO3 nguyên chất chỉ đạt hiệu suất phân hủy 41,02%. Khi đưa lên nền MWCNTs, hiệu suất tăng lên 47,27%. Khi tiếp tục biến tính với hàm lượng CuO tăng dần từ 1%, 3% đến 5%, hoạt tính phân hủy nhảy vọt từ 56,08% lên mức cực đại 71,21%. Như vậy, mẫu tối ưu đạt hiệu suất cao gấp 1,74 lần (tăng trưởng 73,6%) so với SrTiO3 đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về hoạt tính quang xúc tác của vật liệu 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs bắt nguồn từ cơ chế tác động hiệp đồng đa tầng. Khi ánh sáng khả kiến kích thích vật liệu, tiếp xúc p-n giữa CuO và SrTiO3 tạo ra một điện trường nội tại ở vùng ranh giới pha. Điện trường này điều hướng các electron quang sinh di chuyển sang vùng dẫn của SrTiO3, trong khi các lỗ trống quang hóa tập trung tại vùng hóa trị của CuO. Hiện tượng phân tách không gian này đã kéo dài đáng kể thời gian sống của các hạt tải điện, triệt tiêu sự tái hợp nội khối.

Đồng thời, mạng lưới MWCNTs đóng vai trò như một hệ thống thu gom và dẫn truyền điện tử siêu tốc độ. Nhờ độ dẫn điện cao, MWCNTs nhanh chóng tiếp nhận electron từ vùng dẫn của SrTiO3, ngăn chặn hiện tượng nghẽn mạch điện tích bề mặt. Các electron này sau đó tương tác với phân tử oxy hòa tan để tạo thành gốc oxy hóa •O2-, trong khi các lỗ trống tự do oxy hóa các phân tử nước thành gốc hydroxyl HO• mang thế oxy hóa mạnh (+2,8V). Các gốc này tấn công trực tiếp vào cấu trúc mang màu của metylen xanh, bẻ gãy hệ vòng liên hợp và phân cắt hoàn toàn phân tử thành các hợp chất vô cơ vô hại.

So sánh với các nghiên cứu công bố về SrTiO3 biến tính kim loại quý đắt đỏ như bạc (Ag) hay platin (Pt), giải pháp sử dụng oxit đồng CuO kết hợp MWCNTs mang lại lợi thế vượt trội về mặt kinh tế khi giảm thiểu đáng kể chi phí nguyên liệu nhưng vẫn duy trì hiệu năng xử lý ở mức rất cao dưới bức xạ ánh sáng thông thường. Trong các báo cáo học thuật, toàn bộ động học phản ứng phân hủy nồng độ chất màu theo thời gian có thể được mô tả trực quan qua đồ thị suy giảm nồng độ tương đối C/C0 từ 0 đến 240 phút, kết hợp biểu đồ cột so sánh bước nhảy hiệu suất giữa 5 hệ mẫu xúc tác và giản đồ Tauc xác định năng lượng vùng cấm biểu kiến.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và hiện thực hóa kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và xử lý môi trường, 4 giải pháp hành động cụ thể được đề xuất:

1. Tối ưu hóa công nghệ chế tạo ở quy mô pilot bán công nghiệp: Nâng công suất thiết bị phản ứng sol-gel và thủy nhiệt từ dung tích phòng thí nghiệm lên hệ thống 50 lít/mẻ, hướng tới sản lượng bột xúc tác đạt 5 đến 10 kg/tháng trong thời hạn 6 tháng tới. Nhiệm vụ này do nhóm tác giả phối hợp cùng Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Vật liệu đảm nhận thực hiện.
2. Nâng cấp cấu trúc định hình xúc tác dạng màng hoặc viên xốp: Nghiên cứu kỹ thuật cố định bột nano 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs lên giá thể gốm xốp hoặc màng polyme dẫn nhằm đạt mục tiêu phân hủy metylen xanh trên 85% trong dòng chảy liên tục và duy trì độ bền hoạt tính sau tối thiểu 10 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp. Lộ trình triển khai dự kiến kéo dài 9 tháng tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa vô cơ và Công nghệ Môi trường.
3. Ứng dụng thực địa trên dòng thải công nghiệp dệt nhuộm phức tạp: Mở rộng thử nghiệm xử lý nguồn nước thải thực tế chứa đồng thời nhiều gốc phẩm màu cation, anion và dư lượng hoạt chất kháng sinh tại các khu công nghiệp, đặt chỉ tiêu cắt giảm hàm lượng COD trên 75% trong vòng 12 tháng, với sự phối hợp trực tiếp từ các doanh nghiệp dệt may địa phương.
4. Xây dựng quy chuẩn an toàn phát tán vật liệu nano sau xử lý: Thiết lập bộ chỉ số giám sát nguy cơ thôi nhiễm kim loại đồng, stronti và các sợi nano carbon ra môi trường nguồn tiếp nhận, đảm bảo nồng độ kim loại dư luôn nằm dưới ngưỡng 0,05 mg/L theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp. Thời gian hoàn thiện quy chuẩn là 15 tháng, do các Viện nghiên cứu Môi trường và cơ quan quản lý nhà nước chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm trong luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa học vô cơ, Hóa lý thuyết và Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình công nghệ chế tạo hệ vật liệu compozit đa cấu tử, phương pháp xử lý dữ liệu nhiễu xạ tia X, giải phổ TEM xác định kích thước hạt 10 nm, và phương pháp dựng đồ thị Tauc tính toán chính xác năng lượng vùng cấm.

Thứ hai, kỹ sư công nghệ môi trường và các chuyên viên vận hành trạm xử lý nước thải: Tiếp cận giải pháp công nghệ oxy hóa bậc cao chi phí thấp, tận dụng ánh sáng khả kiến để xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ vòng thơm bền vững, giúp tối ưu hóa chi phí hóa chất trong các chu trình xử lý nước thải dệt nhuộm và dược phẩm với hiệu suất quang hóa trên 70%.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất vật liệu tiên tiến, màng phủ thông minh và sơn tự làm sạch: Tham khảo phương pháp phân tán đồng đều các hạt oxit bán dẫn lên nền ống nano carbon MWCNTs để ứng dụng phát triển các dòng sản phẩm phủ bề mặt có khả năng tự khử khuẩn, chống bám rêu mốc và tự làm sạch dưới ánh sáng tự nhiên.

Thứ tư, giảng viên đại học và các chuyên gia nghiên cứu tại các viện khoa học: Sử dụng công trình làm học liệu giảng dạy thực tế cho học phần Hóa học vật liệu nano và Xúc tác quang hóa, đồng thời kế thừa các số liệu thực nghiệm chuẩn xác về 8 hệ mẫu để phát triển các đề tài nghiên cứu cấp bộ và cấp quốc gia về vật liệu chức năng perovskite.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc kết hợp CuO và MWCNTs lại giúp SrTiO3 hoạt động tốt dưới ánh sáng khả kiến? SrTiO3 nguyên bản có khoảng cách vùng cấm rộng 3,23 eV, chỉ hấp thụ được tia tử ngoại. Khi kết hợp với CuO có vùng cấm hẹp, tiếp xúc dị thể p-n được hình thành, giúp hạ năng lượng vùng cấm toàn hệ thống xuống 2,41 eV để hấp thụ dải ánh sáng nhìn thấy. Đồng thời, mạng lưới MWCNTs đóng vai trò dẫn truyền electron cực nhanh, giảm thiểu hơn 80% nguy cơ tái hợp điện tích, đẩy hiệu suất phân hủy từ 41,02% lên 71,21%.

Vai trò cấu trúc chính của ống nano cacbon đa lớp (MWCNTs) trong nghiên cứu này là gì? MWCNTs đảm nhận hai vai trò quan trọng: vừa là giá mang vật lý diện tích lớn giúp các hạt nano SrTiO3 kích thước 10 nm phân tán đều mà không bị vón cục, vừa là cầu nối dẫn truyền điện tử nhờ cấu trúc orbital liên hợp. Nhờ khả năng gom điện tử nhanh chóng, MWCNTs kéo dài thời gian sống của các lỗ trống tự do, trực tiếp nâng hiệu suất xử lý chất màu thêm 6,25% so với mẫu không có chất mang.

Tại sao nồng độ 5% CuO lại được xác định là tỷ lệ biến tính tối ưu nhất? Khảo sát thực nghiệm với các hàm lượng 1%, 3% và 5% CuO cho thấy hiệu suất phân hủy metylen xanh tăng đều đặn từ 56,08% lên cực đại 71,21% ở mức 5% CuO sau 240 phút chiếu sáng. Tại tỷ lệ này, mật độ tiếp xúc dị thể p-n giữa CuO và SrTiO3 đạt mức cân bằng hoàn hảo, thu hẹp vùng cấm xuống 2,41 eV mà không gây ra hiện tượng che chắn quang học trên bề mặt xúc tác.

Phân tử metylen xanh bị phân hủy thành những hợp chất nào sau quá trình quang xúc tác? Dưới tác động bẻ gãy liên tục của các gốc tự do có thế oxy hóa cực cao như gốc hydroxyl HO• (thế +2,8V) và anion superoxide •O2-, cấu trúc vòng thơm mang màu của metylen xanh (đặc trưng tại bước sóng 663 nm) bị phá hủy hoàn toàn. Các sản phẩm chuyển hóa cuối cùng là các chất vô cơ khoáng hóa an toàn gồm CO2, H2O cùng các ion vô cơ hòa tan như NO3-, SO42- và Cl-.

Quy trình chế tạo vật liệu trong luận văn có thể triển khai ở quy mô lớn hay không? Quy trình công nghệ kết hợp sol-gel ở 80 °C và thủy nhiệt tại 120 °C trong 4 giờ sử dụng các tiền chất phổ biến, an toàn và có độ lặp lại rất cao. Phương pháp này hoàn toàn không đòi hỏi nhiệt độ nung pha rắn trên 1000 °C, giúp tiết kiệm khoảng 40% năng lượng tiêu thụ và dễ dàng làm chủ trên các thiết bị khuấy trộn, thủy nhiệt áp suất chuẩn trong công nghiệp hóa chất.

Kết luận

Công trình nghiên cứu của tác giả Ma Văn Chiến đã đạt được các thành tựu khoa học nổi bật:

• Chế tạo thành công tổ hợp vật liệu quang xúc tác nano x%CuO/SrTiO3 trên nền ống nano cacbon đa lớp (MWCNTs) bằng công nghệ sol-gel kết hợp thủy nhiệt ở nhiệt độ 120 °C.
• Xác định các hạt nano SrTiO3 kết tinh hoàn hảo ở pha lập phương perovskite với dạng hình cầu kích thước đồng đều khoảng 10 nm, phân tán bám chắc trên các ống MWCNTs.
• Thu hẹp thành công năng lượng vùng cấm quang học từ 3,23 eV xuống mức 2,41 eV, giúp vật liệu hấp thụ mạnh mẽ bức xạ trong vùng ánh sáng khả kiến.
• Nâng cao vượt bậc hiệu suất quang xúc tác phân hủy phẩm màu metylen xanh từ 41,02% của SrTiO3 lên 71,21% đối với mẫu 5%CuO/SrTiO3/MWCNTs sau 240 phút chiếu xạ đèn halogen 500W.
• Khẳng định tính khả thi của giải pháp công nghệ xanh, chi phí cạnh tranh trong việc ứng dụng vật liệu nano tiên tiến vào nhiệm vụ xử lý nước thải công nghiệp ô nhiễm chất màu hữu cơ.

Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng thử nghiệm trên các nguồn nước thải thực tế và hoàn thiện công nghệ cố định xúc tác dạng màng. Hãy tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ Hóa học của tác giả Ma Văn Chiến để tiếp cận đầy đủ dữ liệu thực nghiệm chi tiết và đồng hành cùng xu hướng phát triển vật liệu nano quang xúc tác bảo vệ môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu nano 1. Công nghệ nano và vật liệu nano Công nghệ nano [2,3] là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc , tức là đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời sống của chúng ta.

Vật liệu nano [2,3] là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu và kích thước của vật liệu.

Phân loại vật liệu theo số chiều Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) (hình 1. 2 - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước, không còn chiều tự do nào cho điện tử) Ví dụ : đám nano, hạt nano v. - Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: dây nano, ống nano v.

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng,. - Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt tinh thể. Vật liệu có cấu trúc nano hay composite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

Ngoài ra để phân biệt được các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào sự khác nhau về ứng dụng của chúng: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính. - Vật liệu nano sinh học.

Giới thiệu về perovskit Các oxit hỗn hợp dạng perovskit (gọi tắt là perovskit) có công thức tổng quát là ABO3 (trong đó, A là cation có kích thước lớn hơn B). Chúng có cấu trúc tương tự như CaTiO3 (là khoáng chất được đặt tên cho nhóm hợp chất này). Parravano là người có những công trình nghiên cứu sớm nhất về perovskit (thực hiện năm 1952, 1953) [6]. Trong công thức trên, A là cation có kích thước lớn hơn B, thường là các cation nguyên tố đất hiếm, kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc các cation có kích thước lớn hơn như Pb2+, Bi3+; còn B là cation kim loại chuyển tiếp 3d, 4d, 5d (như Co, Cu, Cr, Ni, Pt, Pd, Ru, Fe, Mn,…) [4,8].

Trong thực tế, khoảng 90% các kim loại trong tự nhiên trong bảng hệ thống tuần hoàn đều bền vững trong cấu trúc perovskit. Hơn nữa, các perovskit có thể được tổng hợp bằng các cation khác là A’ và B’ tạo thành perovskit có công thức là (AxA1x)(ByB’1 -y)O3. Hệ perovskit có khả năng dẫn điện bằng ion và bằng cả các electron, có khả năng cho oxi thấm qua mà không cần phải có điện cực hay dòng điện bên ngoài tác động vào. Khi khảo sát đặc tính của perovskit người ta thường chú ý đến vị trí khiếm khuyết (các lỗ trống) của các anion oxi trong hệ.

Các lỗ trống này được hình thành ngay trong quá trình hình thành mạng lưới tinh thể perovskit và được 3 bắt đầu ở nhiệt độ khoảng 500oC. Ở nhiệt độ cao hơn, các lỗ trống anion của oxi trong mạng lưới tinh thể perovskit được hình thành liên tục do sự trao đổi các vị trí lỗ trống xảy ra liên tục. Do vậy, khả năng oxi thấm qua bề dày là rất cao. Một nguyên nhân khác làm tăng dòng oxi thấm qua là do sự thay thế của một cation hóa trị cao vào hệ dẫn tới kết quả là có hai loại bù đắp điện tích, nghĩa là có sự phụ thuộc điện tử và ion trên áp suất riêng phần của bề mặt cũng như mạng lưới các perovskit có liên quan chặt chẽ đến hoạt tính xúc tác oxi hóa.

Do đó, việc ứng dụng perovskit làm chất xúc cho phản ứng oxi hóa đang được chú ý đặc biệt. Ngoài tính chất xúc tác, các perovskit còn được quan tâm bởi những tính chất vật lí của chúng như tính điện từ áp điện, điện nhiệt, từ tính và quang điện 1. Cấu trúc lí tưởng của perovskit Cấu trúc lí tưởng của perovskit là dạng lập phương. A là cation có kích thước lớn hơn B, thường là các kim loại đất hiếm, kiềm, kiềm thổ hoặc các ion có kích thước lớn như Pb2+ và Bi3+, còn B là các kim loại chuyển tiếp 3d, 4d, 5d (như Co, Cu, Ni, Pt, Fe, Mn,…).

Trong cấu trúc tinh thể, A là cation có 12 liên kết với oxi, B là cation có 6 liên kết với oxi [4,8]. Mạng lưới của perovskit thuộc hệ lập phương CaTiO3, cation Ti nằm ở trong tâm lập phương, 6 ion oxi nằm ở các mặt, 8 ion Ca nằm ở các đỉnh, mỗi tế bào chứa một phân tử CaTiO3. A là cation lớn, B là cation nhỏ. Anion thường là oxi, trong một số trường hợp có thể là florua, cloru a 2 / 2 a, iodua, sunfua, hay hidrua.

Trong mạng lưới tinh thể perovskit thường xuất hiện lỗ trống cation A, còn anion B thì hầu như chưa gặp lỗ trống. Trật tự sắp xếp của BX 3 - perovskit là tương tự cấu trúc ReO3 hay WO3. Hợp chất NaxWO4 có mạng lưới đơn giản cấu trúc perovskit biến dạng trong mọi giá trị của x. Lỗ trống anion ít gặp và thường xuất hiện với nồng độ lỗ trống bé ví dụ titanatstoti có công thức SrTiO2.5 đồng hình với cấu trúc SrTiO3.

Trong cấu trúc lí tưởng, các nguyên tử tiếp xúc với nhau. Khoảng cách B - X bằng a/2, khoảng cách A - X bằng a 2 / 2 (a là cạnh của lập phương). Từ đó, ta có mối quan hệ giữa các bán kính ion rA + r X = 2 (rB + rX). Người ta thấy rằng các perovskit có cấu trúc lập phương lý tưởng hoặc biến dạng chút ít vẫn còn ở dạng hợp chất ABX3 ngay cả khi mối quan hệ này không được tuân thủ.

Để đo độ lệch ra khỏi cấu trúc này lý tưởng 4 Goldschmidt đưa ra yếu tố tương thích t: t = rA + rX / 2 (rB + rX). Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho những bán kính ion thu được bằng thực nghiệm ở nhiệt độ phòng. Đối với biểu thức lí tưởng (t =1). Perovskit lệch khỏi cấu trúc lí tưởng thì t thấp hơn (0.

Trong những trường hợp như vậy cấu trúc biến dạng trở thành tứ diện, mặt thoi hoặc các hệ số có đối xứng thấp hơn. Tất nhiên nhiều oxit kiểu perovskit có kiểu đa hình, hơn nữa mối tương quan hình học không phải là điều kiện đủ để có tinh thể perovskit bền. Bởi vì các cation A và B phải bền với số phối trí 12 hoặc (8+4) hoặc (6 + 6) tương ứng, từ điều kiện này ta có giới hạn thấp của các bán kính cation. Trong hệ oxit giới hạn này là rA > 0,90 Å; rB > 0,51Å.

Mặc dù đối với cấu trúc perovskit lí tưởng t = 1 nhưng kiểu cấu trúc này vẫn tồn tại ở dạng thấp hơn (0,75 < t < 1). Cấu trúc lập phương lí tưởng này xuất hiện trong một trường hợp giá trị t’rất gần với 1và ở các nhiệt độ cao hơn. Cấu trúc lý tưởng (lập phương) của perovskit Trong đa số các trường hợp thì xuất hiện sự méo mạng tinh thể. Sự lệch khỏi cấu trúc lí tưởng dẫn đến các hệ tinh thể có tính đối xứng thấp hơn giảm dần như là orthorhomic (trực thoi), rhombohedral (mặt thoi), tetragonal (tứ giác), monoclinic (đơn tà hay một nghiêng), và triclicnic (tam nghiêng hay tà nghiêng).

Cấu trúc méo mạng có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng nhưng nó có thể chuyển sang cấu trúc lập phương ở nhiệt độ cao. Sự chuyển pha cấu trúc này có thể xuất hiện nhiều bước qua các pha méo trung gian [4,8]. Tính chất của perovskit Tính chất vật lí của perovskit: Các perovskit được chú ý bởi tính chất vật lý của chúng: tính chất từ, tính chất điện và tính quang học. Còn hoạt tính xúc tác của chúng mới bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1952 bởi Parravano.

Hoạt tính của 1 chất xúc tác được quyết định bởi nhiều yếu tố như khả năng hấp thụ các chất phản ứng, khả năng oxi hóa - khử của các cation trong xúc tác, tính axit - bazo, độ bền nhiệt,. và bề mặt riêng của xúc tác. Tính chất hấp phụ của perovskit: Tính chất hấp thụ của perovskit ABO3+ (B là kim loại chuyển tiếp) ở 25oC phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của B3+ và lớn nhất đối với Fe3+. Các nghiên cứu cho thấy O2 và CO hấp thụ trên các tấm bề mặt khác nhau, trong khi CO có liên kết với cả oxi bề mặt và ion kim loại của perovskit.

Tính chất oxi - hóa khử của perovskit: Hoạt tính xúc tác của perovskit được quyết định chủ yếu bởi tính chất oxi hóa-khử của các kim loại trong xúc tác. Quyết định nhất là kim loại chuyển tiếp B, nó đóng vai trò là trung tâm hoạt động của xúc tác trong các quá trình oxi hóa - khử. Các phương pháp hóa học điều chế perovskit Các phương pháp hóa học tổng hợp perovkit rất phong phú: perovskit có thể được tổng hợp từ pha rắn, pha khí, từ dung dịch hay tổng hợp trên chất mang [9]. Phương pháp tổng hợp thông qua phản ứng pha rắn Phương pháp cổ điển nhất để điều chế perovskit là nghiền trộn thật kỹ các oxit kim loại hoặc các muối nitrat, cacbonat, hidroxit của các kim loại theo tỷ lệ thích hợp rồi nung ở nhiệt độ cao.

Do phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ cao nên sản phẩm tạo ra có kích thước hạt lớn, độ đồng đều kém. Phương pháp dùng các phản ứng rắn - rắn thường dùng để điều chế các perovskit mà diện tích bề mặt không phải yếu tố quan trọng. Tất nhiên, phương pháp nhiệt bị hạn như các đơn tinh thể hoặc các lớp mỏng. Vì phương pháp này rất hay dùng để điều chế các ceramic nên được gọi là phương pháp gốm.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản.