Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình phát triển kinh tế và công nghiệp hóa toàn cầu đã mang lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội nhưng đồng thời làm gia tăng tình trạng ô nhiễm môi trường và suy thoái các hệ sinh thái tự nhiên. Trong số các vấn đề môi trường cấp bách, ô nhiễm nguồn nước là mối đe dọa trực tiếp đến đời sống con người và các loài thủy sinh. Hợp chất 4-nitrophenol ($\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_3$) là một trong những chất ô nhiễm hữu cơ nguy hại phổ biến, được sử dụng rộng rãi làm chất trung gian trong sản xuất thuốc bảo vệ thực vật (như methyl và ethyl parathion), dược phẩm (paracetamol/N-acetyl-p-aminophenol), thuốc nhuộm, chất diệt nấm và chất bảo quản thuộc da. Do tính bền vững cao và khả năng hòa tan trong nước, 4-nitrophenol dễ dàng tích tụ trong các nguồn nước mặt và nước ngầm. Theo các cơ quan y tế quốc tế (WHO, ATSDR, US EPA), 4-nitrophenol có độc tính cấp tính và mãn tính cao, gây kích ứng da, mắt, niêm mạc hô hấp, làm tổn thương gan, đục giác mạc và chuyển hóa hemoglobin thành methemoglobin (methemoglobinemia), dẫn đến tình trạng thiếu oxy mô, hôn mê và có thể gây tử vong.

Để loại bỏ 4-nitrophenol ra khỏi môi trường nước, các phương pháp truyền thống như hấp phụ bằng than hoạt tính, oxy hóa hóa học hay xử lý sinh học thường gặp phải các hạn chế về hiệu suất xử lý chậm, phát sinh bùn thải thứ cấp hoặc chi phí vận hành cao. Phương pháp khử xúc tác 4-nitrophenol thành 4-aminophenol (4-AP) bằng chất khử natri borohydride ($\text{NaBH}_4$) được đánh giá là hướng tiếp cận hiệu quả và an toàn hơn do sản phẩm 4-aminophenol có độc tính thấp hơn đáng kể và là tiền chất có giá trị trong công nghiệp dược phẩm. Hạt nano vàng (Au NPs) đóng vai trò là chất xúc tác dị thể hiệu quả cao cho phản ứng này nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) và khả năng dẫn truyền electron. Tuy nhiên, giá thành đắt đỏ và xu hướng dễ bị kết tụ của nano vàng đòi hỏi phải phân tán chúng lên một chất mang phù hợp nhằm giảm lượng kim loại quý sử dụng và tăng độ ổn định của xúc tác.

Vật liệu graphitic carbon nitride ($g\text{-C}_3\text{N}_4$) dạng lớp 2D sở hữu cấu trúc mạng tris-triazine giàu electron, diện tích bề mặt lớn, độ bền nhiệt và hóa học cao, cùng khả năng hấp phụ tốt các hợp chất thơm thông qua tương tác xếp lớp $\pi$-$\pi$. Việc gắn kết các hạt nano vàng lên bề mặt tấm nano $g\text{-C}_3\text{N}_4$ hứa hẹn tạo ra hệ vật liệu nanocomposite lai hóa có hoạt tính xúc tác vượt trội nhờ tương tác liên diện, thúc đẩy quá trình truyền điện tích từ $\text{NaBH}_4$ sang 4-nitrophenol.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Thị Lê Vân tại Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên (hợp tác thực hiện tại Đại học Quốc lập Giao Thông, Đài Loan) tập trung giải quyết các mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu sau:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ bằng phương pháp quang hóa một bước (photodeposition) sử dụng chất bắt giữ lỗ trống (hole scavenger) và đánh giá khả năng xúc tác khử 4-nitrophenol trong môi trường nước của vật liệu chế tạo được.
  • Nhiệm vụ và câu hỏi nghiên cứu:
    1. Đặc trưng cấu trúc, hình thái, pha tinh thể và điện tích bề mặt của vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ được tổng hợp như thế nào?
    2. Khả năng và hiệu suất xúc tác khử 4-nitrophenol trong dung dịch nước của vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ diễn ra như thế nào dưới các điều kiện nồng độ $\text{NaBH}_4$, pH và thời gian phản ứng khác nhau?
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Hệ vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ với hàm lượng tải nano Au 2% khối lượng trên nền tấm nano $g\text{-C}_3\text{N}_4$; phản ứng khử 4-nitrophenol với tác nhân khử $\text{NaBH}_4$ ở điều kiện nhiệt độ phòng trong quy mô phòng thí nghiệm tại Đại học Quốc lập Giao Thông (Đài Loan) trong giai đoạn thực tập năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tính chất của các hợp chất nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên hóa học vật liệu nano, xúc tác dị thể và động học phản ứng bề mặt. Các chất chính tham gia vào nghiên cứu bao gồm:

Bảng 1: Tính chất lý hóa của hợp chất 4-Nitrophenol (4-NP)

Chỉ số / Đặc tính Giá trị / Thông tin chi tiết
Tên hóa học 4-Nitrophenol
Tên thông thường p-Nitrophenol, 4-Hydroxynitrobenzene
Công thức hóa học $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_3$
Mã CAS 100-02-7
Khối lượng mol 139,11 g/mol
Tỷ trọng riêng 1,001
Áp suất hơi $7,5 \times 10^{-6}\text{ mmHg}$ ở $25^\circ\text{C}$
Độ cảm từ ($\chi$) $-70{,}2 \times 10^{-6}\text{ cm}^3/\text{mol}$
  • Sodium Borohydride ($\text{NaBH}_4$): Chất khử mạnh vô cơ, nhạy cảm với không khí và độ ẩm. Khi hòa tan trong nước hoặc cồn, $\text{NaBH}_4$ giải phóng các ion hydrua ($\text{BH}_4^-$) đóng vai trò là nguồn cung cấp electron cho phản ứng khử các hợp chất nitro thơm.
  • Graphitic Carbon Nitride ($g\text{-C}_3\text{N}_4$): Chất bán dẫn hai chiều cấu thành từ các nguyên tố C, N và một lượng nhỏ H, kết nối với nhau thông qua mạng cấu trúc tris-triazine (heptazine). Bề mặt vật liệu mang các nhóm chức bazơ và liên kết hydro, có khả năng phân tán tốt và hấp phụ mạnh các hợp chất hữu cơ vòng thơm qua tương tác xếp lớp $\pi$-$\pi$.
  • Hạt nano vàng (Au NPs): Kim loại quý kích thước nanomet có tính chất quang học đặc trưng từ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) ở bước sóng khoảng 450–550 nm, đóng vai trò trạm trung chuyển electron từ chất khử sang chất bị khử trên bề mặt phân cách pha.

Hóa chất và phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tinh khiết phân tích từ các nhà sản xuất Alfa Aesar và Aldrich:

Bảng 2: Danh mục hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

TT Tên hóa chất Nhà sản xuất Công thức hóa học Độ tinh khiết
1 Melamine / Thiourea Alfa Aesar $\text{C}_3\text{H}_6\text{N}_6$ / $\text{CH}_4\text{N}_2\text{S}$ 99%
2 Axit tetrachloroauric(III) trihydrat Alfa Aesar $\text{HAuCl}_4\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ $\ge 99{,}5%$ (ACS min)
3 Khí Nitơ $\text{N}_2$ Tinh khiết
4 4-Nitrophenol Alfa Aesar $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_3$ 99%
5 Natri borohydride dạng bột Aldrich $\text{NaBH}_4$ $\ge 98{,}0%$
6 Nước khử ion $\text{H}_2\text{O}$ Điện trở suất $18{,}2\text{ M}\Omega\cdot\text{cm}$
7 Isopropanol Alfa Aesar $(\text{CH}_3)_2\text{CHOH}$ Tinh khiết

Quy trình tổng hợp vật liệu

  1. Tổng hợp $g\text{-C}_3\text{N}_4$: Sử dụng 5 g tiền chất melamine nung trong lò nung dạng ống (tube furnace) ở nhiệt độ $550^\circ\text{C}$ trong 4 giờ với tốc độ gia nhiệt $2^\circ\text{C/phút}$ dưới môi trường không khí. Sản phẩm sau phản ứng trùng ngưng nhiệt có màu vàng nhạt, được nghiền mịn thành dạng bột.
  2. Tổng hợp nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$: Áp dụng phương pháp lắng đọng quang hóa (photodeposition) có sử dụng chất bắt giữ lỗ trống (hole scavenger). Phân tán 0,5 g bột $g\text{-C}_3\text{N}_4$ trong 100 mL nước khử ion bằng bể siêu âm, sau đó thêm 2,3 mL isopropanol làm tác nhân dập tắt lỗ trống quang sinh. Tiếp tục thêm 10 mg dung dịch muối $\text{HAuCl}_4$ (tương ứng với tỷ lệ tính toán 2% khối lượng Au so với $g\text{-C}_3\text{N}_4$) và khuấy đều 30 phút ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được sục khí $\text{N}_2$ liên tục và chiếu xạ bằng đèn hồ quang thủy ngân công suất 64W ($\lambda = 365\text{ nm}$) trong 3 giờ dưới lực khuấy từ. Các electron quang sinh khử ion $\text{Au}^{3+}$ thành các hạt nano $\text{Au}^0$ bám chắc trên bề mặt các tấm $g\text{-C}_3\text{N}_4$. Sản phẩm rắn được thu hồi bằng máy ly tâm lạnh, rửa nhiều lần bằng nước cất và sấy khô ở $80^\circ\text{C}$ qua đêm.

Phương pháp đặc trưng vật liệu và thử nghiệm hoạt tính

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Sử dụng thiết bị Bruker D8 Advance để phân tích cấu trúc tinh thể, xác định pha và độ sạch theo định luật Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$) và công thức Scherrer tính kích thước tinh thể.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM / HRTEM): Đánh giá hình thái bề mặt, kích thước hạt, phân bố hạt nano vàng và mặt phẳng mạng tinh thể.
  • Thế Zeta (Zeta Potential - ZP): Đánh giá độ tích điện bề mặt và xác định điểm đẳng điện (IEP) của vật liệu trong khoảng pH từ 2 đến 10.
  • Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (Hitachi U4100): Theo dõi sự suy giảm nồng độ của 4-nitrophenol tại bước sóng đặc trưng 400 nm (ion 4-nitrophenolate hình thành khi có mặt $\text{NaBH}_4$) và sự xuất hiện pic mới của 4-aminophenol ở bước sóng 300 nm theo từng chu kỳ thời gian 2 phút.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan tài liệu (Overview of Literature)

Chương này hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về độc tính của 4-nitrophenol đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái, tình hình ô nhiễm hợp chất nitro thơm trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp các đặc tính lý hóa, mối nguy hại của chất khử $\text{NaBH}_4$, đồng thời phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý chất ô nhiễm trong nước. Nội dung tổng quan đi sâu vào cấu trúc tinh thể của hạt nano vàng, cấu trúc mạng heptazine của vật liệu polymer $g\text{-C}_3\text{N}_4$, cũng như cơ chế tăng cường hoạt tính xúc tác quang hóa và xúc tác dị thể khi kết hợp nano kim loại quý với chất mang bán dẫn hai chiều.

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (Materials and Methods)

Chương thực nghiệm mô tả chi tiết nguồn gốc xuất xứ của từng hóa chất, thông số kỹ thuật của các thiết bị đo đạc phân tích (máy khuấy từ, máy rung vortex, máy siêu âm, lò sấy, lò nung, máy đo XRD, SEM, TEM, HRTEM, Zeta potential, UV-Vis). Quy trình tổng hợp vật liệu $g\text{-C}_3\text{N}_4$ bằng phản ứng trùng ngưng nhiệt melamine và quy trình quang lắng đọng hạt nano vàng có mặt chất dập lỗ trống isopropanol được trình bày bằng sơ đồ khối chuẩn hóa. Phần này cũng trình bày thiết kế thí nghiệm khử 4-nitrophenol trong cuvet thạch anh (dung tích phản ứng chứa 2 mL nước cất, $40\ \mu\text{L}$ dung dịch 4-NP 10 mM, dung dịch $\text{NaBH}_4$ 0,1 M và 2 mg chất xúc tác $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$).

Kết quả đặc trưng cấu trúc và hình thái vật liệu

Bảng 3: Tổng hợp các đặc trưng lý hóa của vật liệu chế tạo được

Phương pháp phân tích Kết quả đặc trưng trên mẫu $g\text{-C}_3\text{N}_4$ thuần Kết quả đặc trưng trên mẫu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$
Nhiễu xạ tia X (XRD) Xuất hiện 2 pic đặc trưng tại $2\theta = 13{,}1^\circ$ (mạng nội lớp) và $2\theta = 27{,}2^\circ$ (xếp lớp thơm liên lớp). Giữ nguyên các pic của $g\text{-C}_3\text{N}_4$, đồng thời xuất hiện thêm các pic nhiễu xạ mới tại $2\theta \approx 44{,}4^\circ$, $64{,}6^\circ$, $77{,}5^\circ$ tương ứng với các mặt phẳng (200), (220), (311) của tinh thể Au cấu trúc lập phương tâm diện (fcc).
Hình thái SEM / TEM Cấu trúc dạng tấm 2D nhăn nheo, xếp chồng nhiều lớp dạng phiến mỏng. Các hạt nano vàng hình cầu phân bố đồng đều trên bề mặt các phiến $g\text{-C}_3\text{N}_4$ với đường kính trung bình từ 5 đến 15 nm.
Phân tích HRTEM Cấu trúc vô định hình/bán tinh thể của mạng carbon nitride. Xác định rõ các vân mạng tinh thể có khoảng cách liên mặt phẳng $d = 0{,}236\text{ nm}$, tương ứng với mặt mạng (111) của tinh thể kim loại vàng (fcc Au NPs).
Phân tích nguyên tố ICP Không chứa kim loại. Hàm lượng Au thực tế trong composite đạt xấp xỉ 2% khối lượng, hoàn toàn phù hợp với tỷ lệ tính toán ban đầu.
Thế Zeta (pH 2–10) Mang điện tích âm toàn dải pH 3–9 (từ $-15\text{ mV}$ đến $-40\text{ mV}$), không có điểm đẳng điện (IEP). Điện tích dương (từ $+11\text{ mV}$ đến $0\text{ mV}$) ở vùng $\text{pH} \approx 3{,}5 - 4{,}0$; mang điện tích âm (từ $0\text{ mV}$ đến $-28\text{ mV}$) ở vùng pH từ 4,0 đến 9,3; điểm đẳng điện (IEP) tại $\text{pH} \approx 4{,}0$.

Đánh giá hoạt tính xúc tác khử 4-Nitrophenol và nghiên cứu động học

  • Hiệu suất khử theo thời gian: Trong dung dịch nước ở điều kiện $\text{pH} = 4$ và nhiệt độ phòng, dung dịch ban đầu có màu vàng đậm do sự hình thành ion 4-nitrophenolate (hấp thụ cực đại tại bước sóng 400 nm). Khi có mặt 2 mg xúc tác $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ (2 wt% Au):
    • Phút thứ 1: Hiệu suất chuyển hóa đạt khoảng 40%.
    • Phút thứ 2: Quá trình khử tiếp tục tăng tốc.
    • Phút thứ 4: 100% 4-nitrophenol bị khử hoàn toàn, dung dịch chuyển từ màu vàng sang trong suốt không màu, pic hấp thụ tại 400 nm biến mất hoàn toàn và xuất hiện pic mới tại 300 nm đặc trưng cho 4-aminophenol.
  • Ảnh hưởng của nồng độ chất khử $\text{NaBH}_4$: Hằng số tốc độ biểu kiến ($k_{\text{obs}}$) tăng tỷ lệ thuận theo nồng độ $\text{NaBH}4$ từ 0,5 mM đến 7 mM, đạt giá trị cực đại $k{\text{obs}} = 0{,}949\text{ min}^{-1}$ tại nồng độ $\text{NaBH}_4$ 7 mM.
  • Mô hình động học Langmuir–Hinshelwood: Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ $\text{NaBH}4$ tuân theo phương trình Langmuir–Hinshelwood: $$\frac{dC}{dt} = \frac{k{\text{max}} K_F C_{\text{NaBH}4}}{1 + K_F C{\text{NaBH}4}}$$ Đồ thị hồi quy tuyến tính đạt hệ số tương quan rất cao ($R^2 = 0{,}997$), xác định được hằng số tốc độ cực đại nội tại $k{\text{max}} = 0{,}232\text{ min}^{-1}$ và hệ số hấp phụ Langmuir $K_F$. Điều này chứng minh phản ứng khử 4-NP là phản ứng bề mặt dị thể, trong đó các ion $\text{BH}_4^-$ và phân tử 4-NP cùng khuếch tán và hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc của xúc tác.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu: Đã phát triển thành công quy trình quang hóa một bước (photodeposition) thân thiện với môi trường có sử dụng isopropanol làm chất dập lỗ trống quang sinh để khử ion $\text{Au}^{3+}$ thành các hạt nano vàng có kích thước hạt đồng đều (5–15 nm), phân tán gắn kết chặt chẽ trên bề mặt tấm $g\text{-C}_3\text{N}_4$.
  2. Khả năng xúc tác vượt trội: Vật liệu composite chứa 2% khối lượng Au ($\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$) thể hiện hoạt tính xúc tác mạnh, khử hoàn toàn 100% 4-nitrophenol trong nước chỉ trong vòng 4 phút ở điều kiện $\text{pH} = 4$.
  3. Độ bền và khả năng tái sử dụng: Chất xúc tác có độ ổn định cơ học và hóa học cao, có thể tái sử dụng qua 10 chu kỳ phản ứng liên tiếp mà không bị suy giảm đáng kể hoạt tính xúc tác.

Cơ chế phản ứng được đề xuất

Cơ chế xúc tác khử 4-NP bằng hệ $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4/\text{NaBH}_4$ diễn ra theo 4 giai đoạn nối tiếp:

  1. Hấp phụ: Các tấm nền $g\text{-C}_3\text{N}_4$ hấp phụ nhanh các phân tử 4-nitrophenol từ dung dịch lên bề mặt thông qua tương tác xếp lớp $\pi$-$\pi$, tạo nồng độ cục bộ cao của chất phản ứng xung quanh các tâm hoạt tính nano vàng. Đồng thời ion $\text{BH}_4^-$ khuếch tán lên bề mặt hạt nano Au.
  2. Chuyển giao điện tích: Hạt nano Au đóng vai trò chất trung gian truyền electron. Ion $\text{BH}_4^-$ bị oxy hóa trên bề mặt Au, giải phóng hydro hoạt tính và truyền 6 electron ($6e^-$) sang nhóm nitro ($-\text{NO}_2$) của phân tử 4-NP.
  3. Khử nhóm chức: Nhóm $-\text{NO}_2$ nhận electron và proton để chuyển hóa hoàn toàn thành nhóm amin ($-\text{NH}_2$), biến đổi 4-nitrophenol thành sản phẩm duy nhất là 4-aminophenol (4-AP).
  4. Giải hấp: Phân tử 4-aminophenol sau phản ứng giải hấp khỏi bề mặt xúc tác vào pha lỏng, giải phóng các tâm hoạt tính trên nano Au để bắt đầu chu trình xúc tác tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài: Do thời gian thực tập tốt nghiệp có hạn chế, nghiên cứu chưa khảo sát được phổ biến thiên hàm lượng hạt nano vàng ở nhiều dải tỷ lệ khác nhau ngoài tỷ lệ 2 wt%, chưa đánh giá ảnh hưởng của các anion/cation vô cơ gây cản trở thường gặp trong môi trường nước thải thực tế và chưa thử nghiệm phản ứng khử trên mẫu nước thải công nghiệp thực tế.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Thử nghiệm tối ưu hóa hàm lượng hạt nano vàng (từ 0,5 wt% đến 5 wt%) để tìm điểm cân bằng kinh tế - kỹ thuật tối ưu.
    • Ứng dụng vật liệu $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ cho các phản ứng xử lý môi trường khác như phân hủy quang xúc tác phẩm nhuộm hữu cơ (Rhodamine B, Methylene Blue) hoặc sản xuất khí hydro ($\text{H}_2$) từ quá trình tách nước quang hóa dưới ánh sáng khả kiến.
    • Nghiên cứu cơ chế thu hồi nano vàng từ các nguồn rác thải điện tử (như kính màn hình thải) để làm tiền chất tổng hợp vật liệu nhằm giảm giá thành sản xuất.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Hóa học Vật liệu và Công nghệ Nano.
  • Cán bộ kỹ thuật quan tâm đến phương pháp tổng hợp quang hóa xanh (green photodeposition) chế tạo vật liệu nano kim loại quý trên nền chất mang polymer bán dẫn vô cơ.
  • Các nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến xử lý hợp chất nitro thơm khó phân hủy trong nước thải công nghiệp dệt nhuộm, dược phẩm và nông hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp tổng hợp nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ trong khóa luận có ưu điểm gì?
Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp quang lắng đọng một bước (facile one-step photodeposition) ở nhiệt độ phòng dưới bức xạ đèn thủy ngân ($\lambda = 365\text{ nm}$) có bổ sung isopropanol làm chất dập lỗ trống. Phương pháp này không cần sử dụng các hóa chất khử độc hại, giúp hạt nano Au hình thành và bám trực tiếp, phân tán đều trên các tấm nền $g\text{-C}_3\text{N}_4$.

2. Kích thước hạt nano vàng và pha tinh thể được hình thành trên nền $g\text{-C}_3\text{N}_4$ là bao nhiêu?
Kết quả phân tích TEM và HRTEM cho thấy các hạt nano vàng có dạng hình cầu với kích thước đường kính trung bình từ 5 đến 15 nm, mang cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (fcc) với khoảng cách vân mạng đặc trưng $d = 0{,}236\text{ nm}$ tương ứng mặt phẳng (111).

3. Tại sao vật liệu composite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ lại có tốc độ khử 4-NP nhanh hơn so với khi dùng hạt nano Au đơn lẻ?
Nhờ cấu trúc dạng tấm 2D của $g\text{-C}_3\text{N}_4$ có khả năng hấp phụ mạnh 4-NP thông qua liên kết $\pi$-$\pi$, tạo nồng độ chất phản ứng cục bộ rất cao ngay sát các tâm hoạt tính nano vàng. Sự tiếp xúc liên diện chặt chẽ giữa Au và $g\text{-C}_3\text{N}_4$ giúp tăng tốc độ truyền dẫn 6 electron từ phản ứng oxy hóa $\text{BH}_4^-$ sang 4-nitrophenol.

4. Khả năng tái sử dụng và độ bền xúc tác của vật liệu được ghi nhận như thế nào?
Vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ có thể thu hồi bằng ly tâm và tái sử dụng liên tục qua 10 chu kỳ phản ứng mà không bị suy giảm đáng kể hoạt tính xúc tác khử 4-nitrophenol.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Lê Vân đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite $\text{Au@}g\text{-C}_3\text{N}_4$ (chứa 2% khối lượng Au, kích thước hạt 5–15 nm) bằng phương pháp quang lắng đọng một bước thân thiện với môi trường. Vật liệu thể hiện hoạt tính xúc tác khử dị thể vượt trội khi chuyển hóa hoàn toàn 100% chất ô nhiễm độc hại 4-nitrophenol thành 4-aminophenol chỉ trong 4 phút ở $\text{pH} = 4$ với sự hỗ trợ của tác nhân khử $\text{NaBH}_4$. Động học phản ứng tuân theo mô hình Langmuir–Hinshelwood với hệ số tương quan $R^2 = 0{,}997$ và vật liệu duy trì độ ổn định tốt qua 10 chu kỳ tái sử dụng, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.