I. Tổng quan Nghiên cứu vật liệu LaNiO3 quang xúc tác 55
Tình trạng ô nhiễm môi trường và nguồn nước là mối quan tâm toàn cầu. Sự phát triển chưa đồng bộ gây ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng và chất hữu cơ độc hại như phenol, 2-Naphthol. Xử lý môi trường nước là vấn đề cấp thiết. Các phương pháp xử lý nước ô nhiễm chủ yếu dựa trên kỹ thuật xử lý hóa lý và sinh học. Phương pháp hấp phụ là kỹ thuật hiệu quả để xử lý các chất ô nhiễm hóa học trong nước vì nó vận hành đơn giản và có khả năng ứng dụng rộng rãi. Xử lý sinh học loại bỏ hoàn toàn khoảng 90% hàm lượng chất hữu cơ. Tuy nhiên, đối với các chất hữu cơ khó bị phân hủy như phenol và beta - naphtol, hiệu suất xử lý không cao. Xử lý nước ô nhiễm bằng chất xúc tác quang là kỹ thuật xử lý xanh, thân thiện với môi trường, tận dụng năng lượng mặt trời tự nhiên và phân hủy triệt để các chất hữu cơ khó phân hủy. Fujishima và Honda phát hiện sự phân hủy nước trên xúc tác TiO2, chất xúc tác quang hóa này đã thu hút nhiều sự quan tâm trong các ứng dụng trong lĩnh vực môi trường.
1.1. Giới thiệu vật liệu LaNiO3 perovskite tiềm năng
LaNiO3 là chất bán dẫn với cấu trúc perovskite, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện từ, xúc tác cho các phản ứng cháy và điện cực [2]. Zhao et al. [3] nghiên cứu hoạt động quang xúc tác của LaNiO3 đối với các chất hữu cơ gây ô nhiễm nguồn nước. LaNiO3 có khoảng band – gap thu hẹp khoảng 2,51 eV, hiệu quả hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được. LaNiO3 có hoạt tính quang xúc tác để phân hủy các chất thuộc họ naphthalene.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng LaNiO3
Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite LaNiO3 và biến tính nó để chất xúc tác này có khả năng hấp thụ nguồn ánh sáng khả kiến và thực hiện phản ứng xử lý hợp chất 2-Naphthol trong nước thải. Nghiên cứu sử dụng phương pháp sol-gel để tổng hợp vật liệu. Các phương pháp XRD, BET, SEM, UV-vis được sử dụng để kiểm tra cấu trúc, hình thái, bề mặt, thành phần và hoạt tính của vật liệu. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu perovskite LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 được khảo sát trên đối tượng phân hủy 2-Naphthol theo hàm lượng biến tính kim loại Cobalt điều kiện sử dụng ánh sáng khả kiến (> 390nm). Ngoài ra, các tính chất khác của vật liệu cũng được khảo sát như kích thước hạt, động học phân hủy…
II. Thách thức Phân hủy 2 Naphthol và bài toán ô nhiễm 58
Tình trạng ô nhiễm nguồn nước bởi các chất hữu cơ độc hại như 2-Naphthol đang là một vấn đề cấp bách. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống, như kỹ thuật hóa lý và sinh học, gặp khó khăn trong việc loại bỏ hoàn toàn các hợp chất này. Các phương pháp như kỹ thuật điện hóa, trao đổi ion, chiết dung môi bằng CO2 siêu tới hạn, ozon, chlorine dioxide, chloramine hay hấp phụ bằng than hoạt tính,[1] tuy nhiên, các phương pháp này không được ứng dụng rộng rãi trong thực tế vì hệ thống thiết bị cồng kềnh, kỹ thuật vận hành phức tạp, giá thành và chi phí vận hành cao, phải thêm công đoạn xử lý bùn thải sau xử lý hoặc hiệu suất còn thấp.
2.1. Giới thiệu về độc tính và tác hại của 2 Naphthol
2-Naphthol là một chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc loại bỏ 2-Naphthol khỏi nguồn nước là vô cùng quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý 2 Naphthol hiện tại
Các phương pháp xử lý 2-Naphthol truyền thống thường không hiệu quả hoặc gây ra các vấn đề ô nhiễm thứ cấp, như tạo ra bùn thải hoặc sử dụng các hóa chất độc hại. Do đó, cần có các phương pháp xử lý mới, hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.
III. Phương pháp Tổng hợp LaNiO3 bằng Sol Gel tối ưu 53
Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu LaNiO3 với cấu trúc và tính chất mong muốn. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt, diện tích bề mặt và thành phần hóa học của vật liệu. Phƣơng pháp sol - gel thƣờng dựa vào sự thủy phân hoặc ngƣng tụ ankolat kim loại. Sau đó, sol đƣợc ngƣng tụ thành mạng không gian 3 chiều gọi là gel, gel là tập hợp gồm pha rắn đƣợc bao bọc bởi dung môi. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ đồng nhất của sản phẩm là dung môi, nhiệt độ, bản chất của tiền chất, pH, chất xúc tác, chất phụ gia trong quá trình tạo sol – gel. Dung môi ảnh hƣởng đến động học quá trình, pH ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân và ngƣng tụ.
3.1. Ưu điểm của phương pháp sol gel trong tổng hợp LaNiO3
Phương pháp sol-gel có nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp khác, như dễ dàng kiểm soát thành phần hóa học, kích thước hạt và diện tích bề mặt của vật liệu. Ngoài ra, phương pháp này có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.
3.2. Quy trình tổng hợp LaNiO3 bằng phương pháp sol gel
Có 4 bƣớc quan trọng trong quá trình sol – gel là: hình thành gel, làm già gel, khử dung môi và cuối cùng là thủy nhiệt để thu sản phẩm. Phƣơng pháp sol – gel có thể quy về 3 hƣớng: thủy phân các muối, thủy phân các ankolat và sol – gel tạo phức. Nhiều tác giả đã sử dụng phƣơng pháp sol-gel để tổng hợp vật liệu LaNiO3.
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp sol gel
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp sol-gel bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ các chất phản ứng, và thời gian phản ứng. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để thu được vật liệu LaNiO3 với các tính chất mong muốn.
IV. Biến tính Cobalt Nâng cao hiệu quả quang xúc tác 59
Việc biến tính LaNiO3 bằng Cobalt (Co) là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Cobalt có thể thay thế một phần Niken (Ni) trong cấu trúc perovskite, tạo ra các khuyết tật và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Các khí O2, H2, CO có thể bị hấp phụ hoá học rất mạnh trên vật liệu oxit hỗn hợp chứa niken, thực chất đó là phản ứng oxi hóa - khử, trong nhiều trƣờng hợp quá trình hấp phụ là không thuận nghịch. Để tăng cƣờng hoạt tính của các oxit hỗn hợp này, trƣớc tiên ngƣời ta tìm kiếm phƣơng pháp tổng hợp để thu đƣợc vật liệu có diện tích bề mặt cao, kích thƣớc nhỏ hay cấu trúc xốp để xúc tác làm việc đạt hiệu quả cao.
4.1. Vai trò của Cobalt trong việc cải thiện quang xúc tác
Cobalt có thể tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc perovskite, tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các trung tâm hoạt động trên bề mặt vật liệu. Điều này dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hoạt tính quang xúc tác của LaNiO3.
4.2. Ảnh hưởng của nồng độ Cobalt đến hoạt tính xúc tác
Nồng độ Cobalt có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang xúc tác của LaNiO3. Nồng độ Cobalt tối ưu sẽ tạo ra sự cân bằng giữa việc tạo ra các khuyết tật và duy trì cấu trúc perovskite của vật liệu.
4.3. Cơ chế hoạt động của LaNi1 xCoxO3 trong phân hủy 2 Naphthol
Cơ chế hoạt động của LaNi1-xCoxO3 trong phân hủy 2-Naphthol bao gồm quá trình hấp thụ ánh sáng, tạo ra các cặp electron-lỗ trống, và phản ứng của các electron và lỗ trống này với 2-Naphthol để phân hủy nó thành các sản phẩm vô hại.
V. Ứng dụng Phân hủy 2 Naphthol hiệu quả bằng LaNiO3 57
Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 có khả năng phân hủy 2-Naphthol hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Các kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy 2-Naphthol đạt mức cao, mở ra tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý nước thải ô nhiễm. Xuất phát từ mục đích trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite LaNiO3 và biến tính nó với dụng ý chất xúc tác này có khả năng hấp thụ nguồn ánh sáng khả kiến và thực hiện phản ứng xử lý hợp chất 2-Naphthol trong nước thải. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp sol-gel để tổng hợp vật liệu.
5.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng phân hủy 2 Naphthol
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 có khả năng phân hủy 2-Naphthol hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, với hiệu suất phân hủy cao và thời gian phản ứng ngắn.
5.2. So sánh hiệu quả phân hủy giữa LaNiO3 và LaNi1 xCoxO3
Nghiên cứu đã so sánh hiệu quả phân hủy 2-Naphthol giữa LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3, cho thấy LaNi1-xCoxO3 có hiệu quả phân hủy cao hơn nhờ vào việc biến tính bằng Cobalt.
5.3. Tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp
Vật liệu LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại như 2-Naphthol và bảo vệ môi trường.
VI. Kết luận LaNiO3 giải pháp xử lý 2 Naphthol 53
Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp và biến tính vật liệu LaNiO3 bằng phương pháp sol-gel, tạo ra vật liệu LaNi1-xCoxO3 với hoạt tính quang xúc tác cao trong phân hủy 2-Naphthol. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp và bảo vệ môi trường. Vật liệu LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 đƣợc khảo sát trên đối tƣợng phân hủy 2-naphthol theo hàm lƣợng biến tính kim loại Cobalt điều kiện sử dụng ánh sáng khả kiến (> 390nm). Ngoài ra, các tính chất khác của vật liệu cũng đƣợc khảo sát nhƣ kích thƣớc hạt, động học phân hủy...
6.1. Tóm tắt những kết quả nghiên cứu chính
Các kết quả nghiên cứu chính bao gồm việc tổng hợp thành công vật liệu LaNiO3 và LaNi1-xCoxO3 bằng phương pháp sol-gel, chứng minh khả năng phân hủy 2-Naphthol hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, và xác định ảnh hưởng của Cobalt đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.
6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai
Các hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và biến tính vật liệu, nghiên cứu cơ chế hoạt động chi tiết của vật liệu, và thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế.
