Tổng hợp, nghiên cứu tính chất và hoạt tính quang xúc tác của nano composite ZnFe2O4 /g-C3N4

Luận văn hoạt tính quang xúc tác của nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 - ĐH Sư phạm Thái Nguyên 2025

• Tác giả: Ngô Thị Thảo
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thị Tố Loan
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp, nghiên cứu tính chất và hoạt tính quang xúc tác của nano composite ZnFe2O4 /g-C3N4
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nanocomposite ZnFe2O4 g C3N4 quang xúc tác

Nghiên cứu vật liệu quang xúc tác xử lý môi trường đang phát triển rất mạnh mẽ. Trong đó, hệ nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 thu hút sự chú ý đặc biệt từ giới khoa học. Đề tài luận văn thạc sĩ tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên tập trung chế tạo và đánh giá hoạt tính của hệ vật liệu này. Vật liệu g-C3N4 có cấu trúc lớp tương tự graphene. Hợp chất sở hữu độ bền nhiệt cao, trơ hóa học và vùng cấm hẹp khoảng 2,7 eV. Tuy nhiên, bột g-C3N4 nguyên bản có diện tích bề mặt nhỏ. Tốc độ tái tổ hợp giữa điện tử quang sinh và lỗ trống diễn ra rất nhanh. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả phản ứng quang hóa dưới ánh sáng khả kiến. Mặt khác, kẽm ferrite ZnFe2O4 là vật liệu từ tính cấu trúc spinel. Chất này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy với năng lượng vùng cấm hẹp 1,9 eV. Kẽm ferrite còn có ưu điểm nổi bật là dễ thu hồi bằng từ trường ngoài sau phản ứng. Việc kết hợp ZnFe2O4 lên nền g-C3N4 hình thành tiếp xúc dị thể nano. Cấu trúc lai tạo giải quyết triệt để nhược điểm của từng pha đơn lẻ. Hệ xúc tác mới nâng cao khả năng phân tách điện tích. Đồng thời, vật liệu thúc đẩy chuyển dịch electron qua ranh giới tiếp xúc một cách tối ưu.

1.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất của g C3N4

Vật liệu g-C3N4 là chất bán dẫn polyme không chứa kim loại. Khung mạng tinh thể gồm các đơn vị tri-s-triazine liên kết qua nguyên tử nitơ. Cấu trúc phiến hai chiều mang lại tính ổn định nhiệt và kháng hóa chất vượt trội. Vật liệu không tan trong nước và dung môi hữu cơ phổ biến. Năng lượng vùng cấm của g-C3N4 xấp xỉ 2,7 eV, tương ứng bước sóng hấp thụ khoảng 460 nm. Đặc tính này cho phép kích hoạt xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, diện tích bề mặt thực tế của g-C3N4 dạng khối tương đối nhỏ. Bề mặt nghèo vị trí hoạt tính làm hạn chế khả năng hấp phụ phân tử chất bẩn. Ngoài ra, cặp electron-lỗ trống quang sinh rất dễ tái tổ hợp. Sự tiêu hao năng lượng này làm giảm hiệu suất lượng tử.

1.2. Vai trò của kẽm ferrite spinel ZnFe2O4

Kẽm ferrite có công thức hóa học ZnFe2O4 thuộc nhóm spinel chuẩn. Cấu trúc mạng gồm ion kẽm chiếm vị trí tứ diện và ion sắt chiếm vị trí bát diện. Hợp chất mang từ tính ổn định, độc tính thấp và kháng ăn mòn tốt. Vùng cấm quang học hẹp khoảng 1,9 eV giúp hạt hấp thụ mạnh bức xạ khả kiến. Đặc biệt, ZnFe2O4 thể hiện đặc tính từ mềm ở kích thước nano. Tính chất này tạo điều kiện tách xúc tác ra khỏi dung dịch bằng nam châm ngoài. Dẫu vậy, ZnFe2O4 tinh khiết có diện tích bề mặt BET khá khiêm tốn, chỉ khoảng 6,95 m2/g. Độ dẫn điện thấp cũng cản trở tốc độ khuếch tán hạt mang điện. Ghép cặp ZnFe2O4 với nền dẫn 2D giúp phân tán hạt và tăng cường phản ứng bề mặt.

II. Vấn đề quang xúc tác đơn pha và nanocomposite ZnFe2O4 g C3N4

Ô nhiễm nguồn nước do phẩm nhuộm công nghiệp và dược phẩm đang là thách thức nghiêm trọng. Các hợp chất hữu cơ vòng thơm rất bền vững dưới điều kiện môi trường tự nhiên. Phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng quang xúc tác mang lại tiềm năng xử lý triệt để. Tuy nhiên, việc ứng dụng xúc tác đơn pha gặp nhiều rào cản kỹ thuật lớn. Pha đơn g-C3N4 có hiệu suất lượng tử thấp do hiện tượng tái kết hợp electron và lỗ trống diễn ra nhanh chóng. Hạt xúc tác g-C3N4 dạng bột phân tán lơ lửng rất khó thu gom và tái sử dụng sau khi làm sạch nước. Nếu để tồn đọng trong môi trường, bột nano có thể gây nguy cơ ô nhiễm thứ cấp. Đối với pha đơn ZnFe2O4, diện tích bề mặt riêng quá nhỏ làm giảm lượng tâm hấp phụ chất ô nhiễm. Thể tích lỗ rỗng thấp chỉ đạt 0,0476 cm3/g khiến phân tử phẩm nhuộm khó tiếp cận sâu vào lòng vật liệu. Tốc độ tái hợp hạt tải điện nội tại của ZnFe2O4 cũng làm giảm mật độ gốc oxy hóa tự do. Do đó, việc biến tính bề mặt và tích hợp dị thể nano là yêu cầu kỹ thuật sống còn.

2.1. Hiện tượng tái tổ hợp hạt mang điện trong g C3N4

Dưới bức xạ quang học, electron ở dải hóa trị của g-C3N4 bị kích thích nhảy lên dải dẫn. Quá trình này đồng thời để lại các lỗ trống mang điện tích dương ở dải hóa trị. Tuy nhiên, lực hút tĩnh điện Coulomb giữa electron và lỗ trống diễn ra rất mạnh. Phần lớn các cặp hạt tải điện quang sinh bị tái kết hợp trong thời gian cực ngắn. Năng lượng hấp thụ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt hoặc phát xạ huỳnh quang thay vì tham gia phản ứng oxy hóa khử. Hiện tượng này làm sụt giảm nghiêm trọng hiệu suất lượng tử của vật liệu. Số lượng gốc tự do hoạt động như hydroxyl và superoxide tạo ra không đủ để phân giải chất độc. Sự suy giảm hoạt tính khiến g-C3N4 nguyên bản khó đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải.

2.2. Trở ngại thu hồi xúc tác và diện tích bề mặt của ZnFe2O4

Kẽm ferrite sở hữu từ tính thuận lợi cho việc thu hồi bằng nam châm ngoài. Dù vậy, pha ZnFe2O4 tinh khiết bộc lộ nhiều điểm nghẽn về vi cấu trúc. Nghiên cứu thực nghiệm tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên chứng minh diện tích BET của ZnFe2O4 chỉ đạt 6,95 m2/g. Thể tích lỗ rỗng khiêm tốn 0,0476 cm3/g với kích thước mao quản trung bình khoảng 35 nm. Diện tích tiếp xúc thấp cản trở quá trình lưu giữ chất màu trên bề mặt. Thêm vào đó, các hạt nano ZFO dễ bị kết tụ thành cụm lớn. Hiện tượng vón cục che lấp các tâm hoạt tính quang hóa. Khả năng truyền dẫn điện tích kém kìm hãm hiệu năng tổng thể. Việc dung hợp với khung nền nano phân tán trở thành giải pháp cốt lõi nhằm khắc phục nhược điểm này.

III. Phương pháp tổng hợp nanocomposite ZnFe2O4 g C3N4 tại Thái Nguyên

Để giải quyết các rào cản trên, nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã nghiên cứu giải pháp chế tạo nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4. Quy trình tổng hợp g-C3N4 được thực hiện qua phản ứng nhiệt phân tiền chất giàu nitơ ở nhiệt độ cao. Hạt nano spinel ZnFe2O4 được điều chế có kích thước đồng đều và kiểm soát hình thái chặt chẽ. Tiếp đó, các thành phần được kết hợp tạo hệ lai dị thể thông qua kỹ thuật thủy nhiệt hoặc phân tán siêu âm phù hợp. Nghiên cứu tập trung khảo sát các tỷ lệ nạp ZnFe2O4 khác nhau nhằm tìm ra thành phần tối ưu nhất. Mẫu ký hiệu CNZF30 chứa 30% hàm lượng ZnFe2O4 thể hiện sự vượt trội về cấu trúc mao quản. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HR-TEM cho thấy rõ các hạt ZFO kích thước 10–20 nm bám dính chắc chắn trên các phiến nano g-C3N4 mỏng. Khung nền g-C3N4 đóng vai trò như giá đỡ ngăn cản sự kết tụ của các hạt nano ferrite. Đồng thời, diện tích bề mặt riêng BET của mẫu lai CNZF30 tăng vọt lên 28,6 m2/g, gấp hơn 4 lần so với hạt ZFO nguyên chất. Thể tích lỗ rỗng trung bình cũng mở rộng tới 0,1524 cm3/g, kích hoạt đường đẳng nhiệt hấp phụ loại IV với vòng trễ H3 đặc trưng.

3.1. Phân tích vi cấu trúc qua ảnh SEM và HR TEM

Kỹ thuật phân tích hình thái đóng vai trò then chốt trong việc xác nhận liên kết pha. Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM chỉ ra rằng g-C3N4 sở hữu dạng phiến mỏng xốp xếp chồng. Hạt ZFO đơn lẻ có hình cầu khá đều nhưng dễ cụm lại thành khối. Khi kết hợp trong mẫu CNZF30, các hạt ZFO phân bố đồng đều trên các lớp carbon nitride siêu mỏng. Quan sát trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HR-TEM phát hiện các vân tinh thể rõ nét. Điều này chứng minh trật tự tinh thể cao của các hạt spinel ZFO với kích thước hạt từ 10 đến 20 nm. Vùng bao quanh vô định hình thuộc về cấu trúc mạng g-C3N4. Sự tiếp xúc chặt chẽ giữa hai pha hình thành tiếp xúc dị thể nano vững chắc.

3.2. Cải thiện diện tích bề mặt BET và cấu trúc mao quản

Đặc trưng xốp và diện tích bề mặt quyết định mật độ tâm hấp phụ của vật liệu. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ ở 77,35 K khẳng định mẫu CNZF30 thuộc loại IV với vòng trễ H3. Điều này phản ánh rõ nét sự hình thành cấu trúc mao quản trung bình. Mẫu ZnFe2O4 đơn chất chỉ đạt diện tích BET 6,95 m2/g cùng thể tích lỗ 0,0476 cm3/g. Khi đưa vào khung g-C3N4, diện tích bề mặt mẫu lai tăng vọt lên 28,6 m2/g. Thể tích lỗ rỗng cũng tăng hơn ba lần, đạt mức 0,1524 cm3/g. Kích thước mao quản trung bình đạt khoảng 25 nm, tạo hành lang rộng rãi cho các phân tử chất phản ứng thẩm thấu. Cấu trúc mao quản mới giúp diện tích tiếp xúc với dung dịch tăng trưởng vượt bậc.

IV. Hoạt tính quang xúc tác và ứng dụng nanocomposite ZnFe2O4 g C3N4

Vật liệu nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 chứng minh tiềm năng ứng dụng to lớn trong xử lý nước thải dệt nhuộm và dược phẩm tồn dư. Cơ chế phản ứng dựa trên sự chuyển dịch điện tử dị thể nano theo cơ chế kiểu heterojunction hoặc Z-scheme. Dưới ánh sáng khả kiến, các điện tử từ dải dẫn nhanh chóng dịch chuyển qua ranh giới tiếp xúc pha. Quá trình phân tách điện tích ngăn ngừa hiện tượng tái hợp cặp e-/h+, kéo dài thời gian sống của các hạt tải điện. Các gốc tự do có tính oxy hóa cực mạnh như superoxide (.O2-) và hydroxyl (.OH) liên tục sinh ra trên bề mặt xúc tác. Các gốc hoạt tính này tấn công mạch vòng benzen và bẻ gãy các liên kết mang màu phức tạp. Kết quả biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khoáng chất vô hại như CO2 và H2O. Đặc biệt, nhờ tính chất từ tính của hạt kẽm ferrite, vật liệu được thu hồi nhanh chóng bằng thanh nam châm ngoài mà không làm đục nước. Hiệu suất quang hóa vẫn giữ độ ổn định cao sau nhiều chu trình tái sử dụng liên tiếp. Thành công của luận văn tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã mở ra giải pháp xử lý môi trường bền vững và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Cơ chế tăng cường quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến

Cơ chế kích hoạt quang của hệ ZnFe2O4/g-C3N4 dựa trên sự cộng hưởng mức năng lượng giữa hai pha thành phần. Vùng cấm của g-C3N4 (2,7 eV) và ZnFe2O4 (1,9 eV) cho phép hệ hấp thụ dải phổ rộng trong vùng nhìn thấy. Khi nhận photon năng lượng, electron bị kích thích nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn của từng bán dẫn. Do sự chênh lệch vị trí dải dẫn, electron có xu hướng dịch chuyển qua lại ở mặt tiếp xúc dị thể. Dòng điện tích chuyển dời ngăn chặn sự gặp nhau của electron và lỗ trống quang sinh. Các lỗ trống tự do ở dải hóa trị oxy hóa trực tiếp nước tạo gốc hydroxyl. Đồng thời, electron giàu năng lượng ở dải dẫn khử oxy hòa tan thành gốc superoxide. Quá trình quang phân cắt các hợp chất ô nhiễm diễn ra triệt để.

4.2. Khả năng thu hồi bằng từ trường và tính bền tái sử dụng

Một thách thức lớn trong công nghệ quang xúc tác bột nano là khâu lọc tách phức tạp. Sự kết hợp kẽm ferrite mang lại cho nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 từ tính đặc thù. Khi đặt nam châm bên ngoài bình phản ứng, các hạt xúc tác nhanh chóng bị hút dồn về thành bình. Nước thải sau xử lý trở nên trong suốt chỉ trong vài phút. Người vận hành dễ dàng thu hồi xúc tác mà không gây phát tán ra môi trường. Vật liệu sau khi rửa bằng nước cất và sấy khô vẫn duy trì hoạt tính ổn định qua nhiều chu trình làm việc. Ưu điểm này hạ thấp chi phí vận hành hệ thống lọc nước thực tế. Đồng thời, giải pháp loại bỏ nguy cơ ô nhiễm hạt nano thứ cấp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước từ chất thải dệt nhuộm đang trở thành cuộc khủng hoảng sinh thái nghiêm trọng tại các quốc gia đang phát triển. Báo cáo của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng ngành công nghiệp dệt nhuộm toàn cầu tiêu thụ hơn 800.000 tấn phẩm nhuộm mỗi năm, trong đó ước tính khoảng 40.000 tấn hóa chất màu bị xả trực tiếp ra môi trường nước mặt. Nước thải dệt nhuộm mang tính kiềm cao với dao động pH từ 4 đến 12, chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) vượt ngưỡng 400 đến 3000 mg/L, độ màu đậm đặc từ 350 đến 3710 Pt-Co và tỷ lệ BOD/COD thường xuyên dưới 0,3 khiến các công nghệ vi sinh truyền thống mất tác dụng. Điển hình như hợp chất Methylene Blue với khối lượng phân tử 319,85 g/mol, cấu trúc dị vòng phenothiazine bền vững cản trở mạnh mẽ độ xuyên sâu quang học, đe dọa trực tiếp quá trình quang hợp của hệ thực vật thủy sinh.

Trước thực trạng đó, đề tài luận văn thạc sĩ Hóa vô cơ năm 2025 tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, thuộc khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Bộ GD&ĐT mã số B2024-TNA-11, tập trung chế tạo hệ xúc tác quang nano dị thể ZnFe2O4/g-C3N4. Nghiên cứu giải quyết bài toán cốt lõi là khắc phục nhược điểm tái tổ hợp điện tích nhanh của chất bán dẫn g-C3N4 có năng lượng vùng cấm 2,7 eV, đồng thời tận dụng từ tính spinel của ZnFe2O4 để tách lọc và thu hồi xúc tác sau phản ứng. Dưới nguồn sáng LED công suất 30 W trong điều kiện kích hoạt quang hóa photo-Fenton dị thể kết hợp H2O2, công trình hướng tới mục tiêu phân hủy hoàn toàn phẩm nhuộm Methylene Blue và thử nghiệm làm sạch nguồn nước thải dệt nhuộm chiếu cói tại Hưng Yên. Kết quả nghiên cứu đạt độ tương đồng Turnitin ở mức 25%, cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để xử lý triệt để các dòng thải hữu cơ bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý luận của công trình dựa trên hai trụ cột khoa học: lý thuyết quang xúc tác bán dẫn dị thể và cơ chế phản ứng oxy hóa nâng cao kiểu photo-Fenton. Quá trình quang xúc tác khởi nguồn khi vật liệu bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg ~ 2,7 eV đối với g-C3N4). Lúc này, các electron (e-) được kích thích nhảy vọt từ vùng hóa trị (Valence Band - VB) lên vùng dẫn (Conduction Band - CB), để lại các lỗ trống mang điện tích dương (h+) ở vùng hóa trị.

Để giải quyết tình trạng tái tổ hợp điện tích nội tại diễn ra nhanh ở bước sóng hấp thụ khoảng 460 nm, mô hình tiếp xúc dị pha giữa g-C3N4 dạng lớp 2D và hạt nano spinel ferrite ZnFe2O4 được thiết lập. Cấu trúc mạng tinh thể heptazine giàu nitrogen của g-C3N4 đóng vai trò chất nền phân tán, trong khi ZnFe2O4 là chất bán dẫn vùng cấm hẹp sở hữu cấu trúc spinel với các cation kim loại phân bố trong hốc tứ diện và bát diện. Sự chênh lệch thế điện hóa giữa các mức năng lượng vùng dẫn và vùng hóa trị của hai pha bán dẫn kích thích dòng dịch chuyển electron từ vùng dẫn g-C3N4 sang ZnFe2O4, ngăn chặn sự tái hợp hạt tải điện. Khi phối hợp cùng chất oxy hóa H2O2 dưới bức xạ ánh sáng, hệ vật liệu sinh ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa cực mạnh gồm gốc hydroxyl •OH và gốc superoxide •O2-, bẻ gãy cấu trúc vòng thơm của phẩm nhuộm thành các hợp chất vô cơ vô hại.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khảo sát cỡ mẫu gồm 7 hệ vật liệu thực nghiệm, bao gồm 2 mẫu đơn pha đối chứng (g-C3N4 thuần, ZnFe2O4 thuần ký hiệu là ZFO) và 5 mẫu composite với tỷ lệ khối lượng ZnFe2O4 tăng dần từ 10% đến 50% (kí hiệu lần lượt từ CNZF10 đến CNZF50). Đối với đối tượng nước thải công nghiệp thực tế, mẫu nước được lấy tại bể gom làng nghề dệt nhuộm chiếu cói An Lễ (xã Đồng Bằng, Hưng Yên) bằng phương pháp lấy mẫu tổ hợp đại diện ở 3 thời điểm xả thải cao điểm trong ngày, sau đó tiến hành pha loãng 20 lần trước khi xử lý.

Quy trình tổng hợp được thực hiện thông qua phản ứng ngưng tụ nhiệt và phương pháp đốt cháy dung dịch thân thiện môi trường. Cụ thể, g-C3N4 được tổng hợp từ 10 gam urea nung ở 500 °C với tốc độ nâng nhiệt 5 °C/phút trong 2 giờ. Mẫu ZnFe2O4 được điều chế từ 10 gam urea kết hợp 6,525 gam Zn(NO3)2 và Fe(NO3)3, khuấy đều ở 70 °C trong 5 giờ, sấy khô và nung ở 500 °C trong 3 giờ. Vật liệu composite được hình thành bằng cách nghiền trộn cơ học các tỷ lệ khối lượng tương ứng và nung ủ ở 450 °C trong 2 giờ.

Hệ thống phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm giải thích toàn diện mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) quét góc 2θ từ 10° đến 70° để xác thực thành phần pha tinh thể spinel và cấu trúc phân lớp.
• Kính hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HR-TEM để đo đạc kích thước hạt nano trong dải 10-20 nm.
• Đo hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt khí N2 theo mô hình BET tại 77,35 K nhằm xác định chuẩn xác diện tích bề mặt riêng và đường kính mao quản.
• Quang phổ huỳnh quang phát xạ (PL) dùng để đánh giá trực tiếp tốc độ phân tách và mức độ tái tổ hợp của cặp e-/h+.
• Phương pháp trắc quang UV-Vis tại bước sóng 664 nm và 616 nm được ứng dụng để định lượng nồng độ Methylene Blue và chỉ số COD theo định luật Lambert-Beer với đường chuẩn tuyến tính đạt hệ số tin cậy R2 trên 0,99. Timeline nghiên cứu được triển khai liên tục và hoàn thiện nghiệm thu vào cuối năm 2025.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc kết hợp ZnFe2O4 lên nền g-C3N4 đã tạo ra sự cải thiện vượt bậc về diện tích bề mặt riêng và vi cấu trúc mao quản. Kết quả đo BET chỉ ra rằng mẫu ZFO đơn thuần chỉ đạt diện tích bề mặt rất thấp ở mức 6,95 m2/g với thể tích mao quản 0,0476 cm3/g. Khi tạo composite ở tỷ lệ tối ưu CNZF30 (chứa 30% ZnFe2O4), diện tích bề mặt BET tăng vọt lên 28,6 m2/g, cao gấp hơn 4,1 lần so với ZFO nguyên bản. Thể tích lỗ xốp mao quản trung bình đạt 0,1524 cm3/g với đường kính mao quản khoảng 25 nm. Ảnh HR-TEM khẳng định các hạt nano ZnFe2O4 có kích thước đồng đều từ 10 đến 20 nm phân bố bám chặt trên các phiến mỏng g-C3N4.

Thứ hai, dữ liệu phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác nhận tỷ lệ phân bố khối lượng nguyên tố trong mẫu CNZF30 gồm Fe đạt 7,79%, Zn đạt 7,04%, O chiếm 14,04%, C chiếm 23,77% và N chiếm 47,35%. Giản đồ phổ phát quang PL thể hiện cường độ phát xạ huỳnh quang tại đỉnh 460 nm của CNZF30 giảm mạnh so với g-C3N4 thuần, chứng minh sự tiếp xúc liên pha đã ức chế sự tái kết hợp của các hạt mang điện quang sinh.

Thứ ba, hoạt tính quang xúc tác phân hủy Methylene Blue đạt hiệu suất tối ưu trên hệ xúc tác CNZF30 với liều lượng 0,5 g/L kết hợp H2O2 0,2 M dưới nguồn sáng LED 30 W. Sau 180 phút chiếu xạ, hiệu suất phân hủy Methylene Blue của CNZF30 vượt trên 95%, trong khi mẫu ZFO thuần chỉ phân hủy được khoảng 40% và g-C3N4 thuần đạt dưới 50%.

Thứ tư, vật liệu thể hiện khả năng ứng dụng thực tế và độ bền tái sinh ấn tượng. Khi thử nghiệm trên mẫu nước thải dệt nhuộm chiếu cói Hưng Yên pha loãng 20 lần, hệ xúc tác CNZF30 giúp làm giảm sâu giá trị COD và loại bỏ hoàn toàn màu xanh đậm đặc trưng sau 180 phút phản ứng. Sau 5 chu kỳ phản ứng liên tục được thu hồi bằng nam châm ngoài trong vòng 60 giây, hiệu suất xử lý của CNZF30 vẫn duy trì ổn định trên 88%, không ghi nhận sự thay đổi pha tinh thể trên giản đồ XRD.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang xúc tác tăng cường của CNZF30 xuất phát từ cơ chế phối hợp cộng hưởng giữa cấu trúc tiếp xúc dị pha và phản ứng photo-Fenton dị thể. Khi có mặt nguồn sáng khả kiến, các electron quang sinh dịch chuyển từ vùng dẫn của g-C3N4 sang ZnFe2O4, trong khi các ion sắt (Fe3+/Fe2+) trên bề mặt spinel ferrite phản ứng với H2O2 để kích hoạt chu trình Fenton, sản sinh ồ ạt gốc tự do •OH. Các thử nghiệm sử dụng chất bắt gốc tự do đã cung cấp bằng chứng thuyết phục: khi bổ sung cồn Isopropyl (chất bắt gốc •OH) hoặc acid ascorbic (chất bắt gốc •O2-), hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm sụt giảm nghiêm trọng, khẳng định •OH và •O2- là hai tác nhân oxy hóa cốt lõi.

Động học của phản ứng quang phân hủy Methylene Blue được mô tả chính xác thông qua phương trình phản ứng giả bậc một biểu diễn mối tương quan giữa ln(Co/Ct) theo thời gian chiếu sáng. Khi biểu diễn dữ liệu thực nghiệm qua biểu đồ đường thẳng, đồ thị hồi quy đạt hệ số R2 trong khoảng từ 0,98 đến 0,998. Bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng (k) minh chứng giá trị k của hệ CNZF30/LED/H2O2 đạt mức cao gấp 3,8 lần so với hệ ZFO đơn thuần. Đồ thị đường cong từ trễ VSM cho thấy vật liệu có độ từ hóa bão hòa thích hợp, giúp các hạt nano bị hút dính vào thành bình khi đặt nam châm vĩnh cửu. Giản đồ XRD so sánh trước và sau 5 chu kỳ tái sử dụng thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại góc 2θ = 28° và 35° vẫn giữ nguyên độ sắc nét, chứng minh khung mạng vật liệu hoàn toàn không bị ăn mòn quang hóa hay rửa trôi ion kim loại trong môi trường nước.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu từ quy mô phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tiễn xử lý môi trường, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất:

1. Chế tạo module phản ứng quang xúc tác dòng chảy liên tục tích hợp bẫy từ: Thiết kế hệ thống xử lý pilot bán công nghiệp công suất 500 L/ngày, sử dụng dàn đèn LED công suất 50 W kết hợp hệ thống nam châm neodim vĩnh cửu để tự động thu hồi hạt xúc tác, đặt mục tiêu hạ chỉ số COD dòng thải xuống dưới 100 mg/L và triệt tiêu hơn 90% độ màu trong vòng 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu kỹ thuật môi trường và công nghệ vật liệu.
2. Nâng cấp diện tích bề mặt mao quản của vật liệu nano: Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật bóc tách phiến mỏng g-C3N4 bằng acid hoặc biến tính nhiệt bổ sung nhằm gia tăng diện tích bề mặt riêng BET từ 28,6 m2/g lên trên 45 m2/g, hoàn thành tối ưu hóa công thức trong lộ trình 9 tháng do các phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa học đảm trách.
3. Thử nghiệm mở rộng tại các hợp tác xã dệt nhuộm làng nghề: Triển khai lắp đặt mô hình xử lý nước thải trực tiếp tại các cơ sở dệt chiếu cói xã Đồng Bằng (Hưng Yên) trong thời gian 12 tháng, hướng đến mục tiêu đạt tỷ lệ tái tuần hoàn nước thải sản xuất 85% theo quy chuẩn xả thải QCVN 13-MT:2015/BTNMT, dưới sự phối hợp giữa chính quyền địa phương và doanh nghiệp dệt may.
4. Xây dựng quy chuẩn kiểm soát an toàn sinh thái của vật liệu nano từ tính: Thực hiện quan trắc hàm lượng rò rỉ vi lượng của ion kẽm và sắt sau 5 chu kỳ thu hồi xúc tác, bảo đảm nồng độ ion kim loại trong nước sau xử lý luôn thấp hơn ngưỡng 0,5 mg/L theo quy định an toàn nguồn nước trong thời hạn 18 tháng bởi các viện nghiên cứu tài nguyên môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ là nguồn tài liệu học thuật có giá trị thực tiễn cao cho bốn nhóm bạn đọc chuyên ngành:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa vô cơ và Khoa học vật liệu: Tài liệu cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng tổng hợp g-C3N4 từ urea, cơ chế hình thành spinel ZnFe2O4 và phương pháp dựng đường chuẩn đo quang UV-Vis đạt R2 = 0,998. Độc giả có thể khai thác các dữ liệu phân tích XRD, SEM, HR-TEM, EDX, BET và PL để làm đối chứng cho các nghiên cứu biến tính dị thể ferrite tiếp theo.
2. Kỹ sư môi trường và chuyên viên thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp: Luận văn cung cấp thông số vận hành thực tế của công nghệ photo-Fenton dị thể sử dụng H2O2 và ánh sáng LED 30 W, phục vụ thiết kế các bể tiền xử lý oxy hóa bậc cao cho nước thải có nồng độ COD từ 400 đến 3000 mg/L và loại bỏ các chất màu khó phân hủy sinh học.
3. Giảng viên và nhà khoa học tại các trường đại học khối kỹ thuật: Tài liệu là học liệu tham khảo chuẩn xác để xây dựng giáo trình các môn học Vật liệu quang xúc tác, Kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu và Các quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý môi trường.
4. Ban quản lý cụm công nghiệp và chủ cơ sở sản xuất dệt nhuộm, chiếu cói: Khai thác giải pháp thu hồi chất xúc tác bằng từ trường nam châm tái sử dụng qua 5 chu kỳ, giúp tiết kiệm từ 40% đến 50% chi phí hóa chất keo tụ so với các phương pháp xử lý truyền thống, tạo hướng đi bền vững cho các làng nghề.

Câu hỏi thường gặp

Cơ chế nào giúp nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 đạt hiệu suất quang xúc tác vượt trội so với các đơn pha?
Sự tiếp xúc giữa pha g-C3N4 và ZnFe2O4 thiết lập cấu trúc dị pha heterojunction giúp phân tách các cặp electron - lỗ trống quang sinh. Dữ liệu phổ phát quang PL xác nhận cường độ phát xạ huỳnh quang tại 460 nm của mẫu CNZF30 giảm mạnh so với g-C3N4 thuần. Điều này chứng minh tốc độ tái tổ hợp điện tích bị kìm hãm, kéo dài thời gian sống của các hạt tải điện để tạo ra nhiều gốc tự do •OH oxy hóa phẩm nhuộm.

Tỷ lệ ZnFe2O4 bao nhiêu trong composite mang lại hoạt tính phân hủy tối ưu nhất?
Mẫu CNZF30 chứa 30% ZnFe2O4 và 70% g-C3N4 về khối lượng mang lại hoạt tính cao nhất. Mẫu này sở hữu diện tích bề mặt riêng BET đạt 28,6 m2/g, cao gấp 4,1 lần so với ZFO thuần chỉ đạt 6,95 m2/g. Nhờ đó, hiệu suất phân hủy Methylene Blue đạt trên 95% sau 180 phút phản ứng dưới ánh sáng LED 30 W khi có mặt H2O2.

Vật liệu được thu hồi sau phản ứng bằng phương pháp nào và độ bền tái sinh ra sao?
Nhờ tính chất siêu thuận từ của pha spinel ZnFe2O4, vật liệu CNZF30 được tách hoàn toàn khỏi dung dịch nước chỉ trong khoảng 60 giây bằng từ trường của nam châm vĩnh cửu. Sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tục, giản đồ nhiễu xạ XRD cho thấy cấu trúc mạng tinh thể không hề bị biến đổi và hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm vẫn duy trì ổn định trên 88%.

Nước thải thực tế làng nghề dệt nhuộm chiếu cói được xử lý đạt kết quả cụ thể như thế nào?
Mẫu nước thải tại Hưng Yên sau khi pha loãng 20 lần được xử lý bằng 0,1 g vật liệu CNZF30 kết hợp H2O2 0,2 M. Dưới ánh sáng đèn LED công suất 30 W trong 180 phút, chỉ số COD giảm mạnh từ mức ô nhiễm ban đầu về tiệm cận quy chuẩn an toàn, đồng thời toàn bộ màu xanh đậm đặc trưng của dung dịch được tẩy trắng trong suốt.

Những tác nhân oxy hóa tự do nào đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy quang hóa?
Thông qua các phản ứng bẫy gốc tự do với acid ascorbic, cồn Isopropyl và EDTA, nghiên cứu chứng minh gốc hydroxyl •OH và gốc superoxide •O2- là hai tác nhân oxy hóa chủ chốt. Chúng bẻ gãy cấu trúc vòng thơm dị vòng phenothiazine của Methylene Blue, chuyển hóa các phân tử độc hại thành CO2, H2O và các khoáng chất an toàn.

Kết luận

Nghiên cứu về vật liệu nano composite ZnFe2O4/g-C3N4 mở ra hướng tiếp cận đột phá trong công nghệ xử lý ô nhiễm phẩm nhuộm dệt may:

• Tổng hợp thành công hệ vật liệu nanocomposite ZnFe2O4/g-C3N4 bằng phương pháp nhiệt phân và đốt cháy dung dịch thân thiện môi trường từ tiền chất urea giá rẻ.
• Xác định tỷ lệ tối ưu CNZF30 với diện tích bề mặt riêng BET đạt 28,6 m2/g, cấu trúc mao quản trung bình 25 nm và khả năng triệt tiêu tái tổ hợp quang sinh vượt trội.
• Phân hủy thành công hơn 95% phẩm nhuộm Methylene Blue sau 180 phút chiếu sáng LED 30 W thông qua cơ chế kích hoạt photo-Fenton dị thể với H2O2.
• Ứng dụng xử lý hiệu quả nguồn nước thải dệt nhuộm chiếu cói thực tế tại Hưng Yên, làm suy giảm mạnh mẽ chỉ số COD và làm trong suốt nước thải.
• Tách lọc và thu hồi vật liệu nhanh chóng bằng từ trường ngoài chỉ trong 60 giây, duy trì độ bền tinh thể qua 5 chu kỳ làm việc liên tiếp.

Công trình đóng góp luận cứ khoa học vững chắc cho việc phát triển các chất xúc tác quang từ tính thế hệ mới. Để đưa công nghệ vào thực tiễn, việc chế tạo module phản ứng tự động công suất 500 L/ngày cần được xúc tiến trong 6 tháng tới, song song với việc thử nghiệm nhân rộng tại các làng nghề trong vòng 12 tháng. Các nhà nghiên cứu, kỹ sư môi trường và doanh nghiệp dệt may hãy liên hệ, phối hợp chuyển giao công nghệ nhằm xây dựng giải pháp xử lý nước thải xanh, tiết kiệm năng lượng và bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về carbon nitride 1. Cấu trúc tinh thể Carbon nitride là các hợp chất chứa carbon và nitrogen làm nguyên tố chính, với công thức hóa học tổng quát là C3N4. Carbon nitride tồn tại dưới nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau như α-C3N4, β-C3N4, -C3N4, graphitic-C3N4,…(Hình 1.

Mỗi pha có sự sắp xếp nguyên tử và phối trí riêng, dẫn tới tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Cấu trúc các dạng thù hình của carbon nitride [18] Trong pha graphitic carbon nitride (g-C3N4), C thường ở trạng thái lai hoá sp² và N ở trạng thái lai hoá sp² hoặc sp³ tùy vị trí. Về bản chất, g-C₃N₄ có cấu trúc lớp hai chiều (2D) tương tự graphene, được hình thành từ các đơn vị s-triazine hoặc tri-s- triazine (heptazine). Trong mô hình s-triazine, mỗi đơn vị vòng triazine (C₃N₃) được nối với nhau qua nguyên tử N, tạo nên mạng lưới 2D (Hình 1.

Mô hình heptazine (C₆N₇) được xem là ổn định hơn về mặt nhiệt động, trong đó ba vòng triazine hợp nhất thành một vòng heptazine, sau đó liên kết với nhau bằng nguyên tử N cầu nối (Hình 1. Cấu trúc g-C3N4 dựa trên đơn vị s-triazine (a) và tri-s-triazine (b) Các thông số mạng của g-C3N4 được xác định như sau: a = b ≈ 7,14–7,20 Å; c ≈ 6,4–6,9 Å (phụ thuộc độ dày và sự xếp lớp); góc α = β = 90°, γ = 120° (đặc trưng của hệ lục giác 2D). Khoảng cách giữa các lớp trong g-C3N4 khoảng 3,2 Å, gần với khoảng cách lớp trong graphite carbon (~3,35 Å) (Hình 1. Các lớp này liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu, nên chúng dễ dàng tách thành đơn lớp.

Cấu trúc tinh thể g-C3N4 dựa trên đơn vị heptazine (a) và kiểu xếp chồng ABAB (b) [6] 1. Tính chất của g-C3N4 g-C3N4 được coi là dạng ổn định nhất trong điều kiện khí quyển, bền trong không khí, chỉ bắt đầu phân hủy ở trên 700 oC. Nó không tan trong dung môi hữu cơ thông thường, có tính chống ăn mòn tốt. g-C3N4 là một chất bán dẫn loại n với năng lượng vùng cấm là 2,7 eV, hấp thụ ánh sáng khả kiến ở khoảng 460 nm.

Do có nhiều nguyên tử N chứa cặp electron tự do nên g-C3N4 thể hiện tính chất của một bazơ Lewis. Ngoài ra, nhờ có các nhóm -NH trên bề mặt có khả năng nhận H+ nên g-C₃N₄ còn có thể hoạt động như một bazơ Bronsted yếu (Hình 1. 4 Tuy nhiên, g-C3N4 có nhược điểm là sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống cao; khả năng linh động của các hạt mang điện thấp. Chính những điều trên đã làm giảm hiệu quả của g-C3N4 trong lĩnh vực xúc tác.

Các nhóm chức trong g-C3N4 [15] 1. Một số phương pháp tổng hợp g-C3N4 Graphitic carbon nitride thường được tổng hợp từ các tiền chất giàu nitrogen như melamine, dicyandiamide, urea hoặc thiourea. Phương pháp phổ biến nhất là nhiệt phân trực tiếp tiền chất ở nhiệt độ từ 500–600 oC trong môi trường không khí hoặc khí trơ để tạo nên cấu trúc graphitic. Nhóm tác giả của Somayeh [35] đã tổng hợp g-C3N4 từ tiền chất là melamine ở 580 oC với tốc độ gia nhiệt là 10 oC/phút (Hình 1.

Tổng hợp g-C3N4 bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt [35] Bằng cách sử dụng urea, thiourea và dicyandiamide làm tiền chất, Zhang và cộng sự [47] đã tổng hợp g-C3N4 và nhận thấy rằng quá trình tổng hợp chủ yếu liên quan đến quá trình polymer hóa. Các phân tử dicyandiamide được ngưng tụ trực tiếp thành melamine. Trong khi đó các phân tử urea, thiourea được chuyển đổi thành melamin bằng các phản ứng cộng và ngưng tụ. Khi nhiệt độ tăng lên, các đơn vị tri-s-triazine hình thành bằng cách sắp xếp lại melamine và tiếp tục được trùng hợp tạo thành g-C3 N4.

5 Ngoài ra, các phương pháp sol–gel, thuỷ nhiệt, nhiệt dung môi lắng đọng pha hơi cũng được sử dụng để tổng hợp g-C3N4 nhằm kiểm soát hình thái và diện tích bề mặt. Trong phương pháp lắng đọng pha hơi, các tiền chất chứa C và N được cho bay hơi ở nhiệt độ cao (khoảng 500–700 oC), sau đó ngưng tụ lên bề mặt chất nền để hình thành g-C₃N₄ dạng màng mỏng. g-C3N4 điều chế theo phương pháp này ở dạng màng mỏng, đồng đều, thích hợp cho ứng dụng điện tử và cảm biến [37]. Nhìn chung, mỗi phương pháp đều ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bề mặt, mức độ trật tự cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của g-C₃N₄.

Một số ứng dụng của g-C3N4 Graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) đã nổi lên như một vật liệu bán dẫn tiềm năng nhờ cấu trúc hai chiều giàu nitrogen, diện tích bề mặt điều chỉnh linh hoạt và tính bền hóa học cao. Ứng dụng phổ biến nhất của g-C3N4 là làm chất quang xúc tác phân huỷ chất hữu cơ, thuốc nhuộm và khử ion kim loại nặng trong nước dưới ánh sáng khả kiến [8], [9], [39]. Ngoài ra, nhờ khả năng tách và vận chuyển electron tốt, g-C₃N₄ còn được ứng dụng trong phân tách nước để sản xuất hydrogen, góp phần phát triển năng lượng sạch [27]. Trong lĩnh vực năng lượng, g-C₃N₄ được khai thác làm vật liệu điện cực cho pin Li-ion, pin Na-ion và siêu tụ điện, nhờ cấu trúc nano xốp và hoạt tính điện hóa cao [26].

Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây cho thấy g-C₃N₄ có triển vọng trong cảm biến sinh học và cảm biến điện hóa, do diện tích bề mặt lớn và tính base của nguyên tử nitrogen cho phép gắn chọn lọc các phân tử sinh học [25], [29]. Với sự kết hợp giữa tính ổn định, giá thành thấp và khả năng điều chỉnh cấu trúc, g-C₃N₄ đang trở thành một nền tảng quan trọng cho các ứng dụng về môi trường, năng lượng và công nghệ sinh học. Tổng quan về vật liệu ferrite 1. Cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp ferrite tinh khiết Ferrite là một loại vật liệu từ tính có thành phần chính là oxide iron kết hợp với các oxide của kim loại khác.

Công thức tổng quát của ferrite là MFe2O4 với M là các kim loại Fe, Zn, Mn, Co, Ni… Cấu trúc này được đặc trưng bởi các ion kim loại và các oxygen sắp xếp theo một mạng lưới lập phương phức tạp, với các ion kim loại chiếm các vị trí tứ diện và bát diện (Hình 1. Tùy thuộc vào sự phân bố của các ion M2+ và Fe3+ tại các vị trí này mà chúng được phân loại thành spinel thuận hoặc spinel 6 nghịch. Các đặc trưng về cấu trúc và tính chất của vật liệu ferrite spinel phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như bản chất hoá học của các nguyên tố tạo nên spinel, sự phân bố các cation trong mạng tinh thể, hình thái và kích thước hạt, sự pha tạp và cả phương pháp tổng hợp. Cấu trúc của vật liệu ferrite Trong các yếu tố trên, phương pháp tổng hợp và điều kiện nhiệt động trong quá trình xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng, làm thay đổi tính chất của ferrite.

Vì vậy, chọn phương pháp phù hợp là bước then chốt để tối ưu hóa tính chất cho mục đích ứng dụng. Một số phương pháp thường được áp dụng để tổng hợp ferrite như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol gel, phương pháp thủy nhiệt hay phương pháp nhiệt dung môi…. Tác giả Shameran và cộng sự [32] đã tổng hợp vật liệu CoFe2O4 với kích thước hạt dao động từ 16-26 nm bằng phương pháp đồng kết tủa theo sơ đồ Hình 1. Trong quy trình này, các dung môi phân cực được sử dụng để hòa tan các muối vô cơ như nitrate, chloride nhằm tạo thành dung dịch đồng nhất làm nguyên liệu ban đầu.

Quy trình tổng hợp vật liệu CoFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa [32] 7 Ngoài ra tác giả cũng đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tạo ra vật liệu với độ tinh khiết cao và dễ kiểm soát về hình thái. Phương pháp này đã tạo ra các hạt ferrite spinel rỗng có hình dạng hoa nano và dạng lập phương. Sơ đồ của phương pháp được mô tả ở Hình 1. Quy trình tổng hợp vật liệu CoFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt [32] Bằng phương pháp sol-gel tác giả [24] đã tổng hợp được các hạt nano ferrite có thành phần CuPrxFe2-xO4 (với x=0; 0,25; 0,50; 0,75;1,00).

Nghiên cứu cho thấy CuFe2O4 tinh khiết có cấu trúc lập phương, nhưng khi pha tạp Pr, ferrite thu được có cấu trúc trực thoi. Tính chất của CuPrxFe2-xO4 cho thấy tiềm năng ứng dụng trong thiết bị vi sóng, thiết bị nhớ và các ứng dụng ghi dữ liệu bằng từ. Tác giả [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng urea đến cấu trúc, hình thái học, tính chất từ, hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy. Kết quả cho thấy, khi tăng lượng urea thì kích thước tinh thể các mẫu NF1 – NF3 giảm từ 45,8 nm xuống 33,7 nm, diện tích bề mặt tăng từ 23,24 m2/g đến 44,94 m2/g và độ bão hòa từ tăng.

Có thể thấy mẫu NF3 cho hiệu suất phân hủy Rhodamine B (RhB) cao nhất đạt 94,66% sau 270 phút chiếu sáng. Với mỗi phương pháp tổng hợp vật liệu nano spinel ferrite đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Tùy thuộc vào điều kiện thiết bị của mỗi phòng thí nghiệm và mục tiêu nghiên cứu cụ thể mà các nhóm nghiên cứu có những lựa chọn về phương pháp tổng hợp phù hợp. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp đốt cháy, với chất nền là urea để tổng hợp ZnFe2O4.

8 Các vật liệu này có nhiều ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực xử lý môi trường, năng lượng và y sinh. Trong xử lý môi trường, ferrite được ứng dụng làm chất xúc tác có hiệu quả để phân huỷ nhiều hợp chất hữu cơ ô nhiễm như RhB, methylene blue (MB), kháng sinh tetracycline hydrochloride,…[10], [13], [21], [30]. Trong lĩnh vực năng lượng, ferrite được sử dụng làm điện cực trong siêu tụ điện và pin lithium-ion do khả năng dẫn điện và ổn định chu kỳ sạc–xả. Ngoài ra, trong y sinh học, ferrite có kích thước nano còn được sử dụng trong dẫn thuốc (drug delivery) và điều trị ung thư bằng liệu pháp nhiệt từ nhờ vào tính chất siêu thuận từ [17].

Với nhiều ứng dụng phong phú nên ferrite đã và đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Tổng quan về vật liệu composite chứa ferrite Spinel ferrite MFe₂O₄ là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến, xúc tác, xử lý nước, y sinh (siêu từ, truyền thuốc, hyperthermia) và điện tử. Nhờ có tính siêu thuận từ và độ bão hoà từ cao nên sau quá trình phản ứng, các ferrite dễ dàng được thu hồi bằng từ trường ngoài. Hơn thế, chúng có nhiều tính chất ưu việt như độ điện trở lớn, tổn hao dòng điện xoáy thấp và tính ổn định hóa học tốt.

Điều này đã làm cho phạm vi ứng dụng của các ferrite được mở rộng.