Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm nguồn nước ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả để xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trở thành một hướng nghiên cứu cấp thiết. Vật liệu perovskit CaTiO3 với cấu trúc ABO3 đặc trưng, nổi bật bởi tính chất điện môi và quang xúc tác, đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Tuy nhiên, CaTiO3 có năng lượng vùng cấm cao khoảng 3,45 eV, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, hạn chế khả năng ứng dụng trong điều kiện ánh sáng khả kiến phổ biến. Ngược lại, graphitic carbon nitride (g-C3N4) là chất bán dẫn không kim loại với năng lượng vùng cấm thấp khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến nhưng gặp phải nhược điểm là quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh diễn ra nhanh, làm giảm hiệu suất xúc tác.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit CaTiO3 bằng g-C3N4 để tạo thành composit g-C3N4/CaTiO3, nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu composit, đặc trưng cấu trúc và khảo sát hoạt tính xúc tác quang qua phản ứng phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng LED.

Việc phát triển vật liệu composit này không chỉ góp phần mở rộng ứng dụng của CaTiO3 trong xử lý môi trường mà còn tạo ra nền tảng khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xúc tác quang hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, đáp ứng yêu cầu thân thiện môi trường và kinh tế trong xử lý nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn, trong đó vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) được phân tách bởi năng lượng vùng cấm (Eg). Khi ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg chiếu vào, electron từ VB nhảy lên CB tạo ra cặp electron - lỗ trống quang sinh, kích hoạt quá trình xúc tác quang. Tuy nhiên, quá trình tái kết hợp nhanh giữa electron và lỗ trống làm giảm hiệu quả xúc tác.

Lý thuyết về vật liệu composit được áp dụng nhằm giảm thiểu tái kết hợp này bằng cách tạo cầu nối chuyển electron giữa hai chất bán dẫn khác nhau, kéo dài thời gian tồn tại của các cặp electron - lỗ trống, từ đó tăng sinh các gốc tự do oxy hóa mạnh như HO• và •O2-, nâng cao hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Perovskit CaTiO3: vật liệu bán dẫn loại n, cấu trúc ABO3, năng lượng vùng cấm ~3,45 eV, hoạt động chủ yếu dưới ánh sáng tử ngoại.
  • Graphitic carbon nitride (g-C3N4): chất bán dẫn không kim loại, cấu trúc lớp, năng lượng vùng cấm ~2,7 eV, hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt nhưng có nhược điểm tái kết hợp nhanh.
  • Composit g-C3N4/CaTiO3: vật liệu lai ghép nhằm kết hợp ưu điểm của hai thành phần, tăng hiệu quả xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Quy Nhơn. Cỡ mẫu gồm các vật liệu g-C3N4, CaTiO3 và composit g-C3N4/CaTiO3 với các tỷ lệ khác nhau (1:1, 1:2, 2:1).

Phương pháp tổng hợp:

  • g-C3N4: nung melamine ở 500-520 °C trong 4 giờ.
  • CaTiO3: phương pháp thủy nhiệt từ Ca(NO3)2 và TiCl4 ở nhiệt độ 160-200 °C trong 12 giờ.
  • Composit g-C3N4/CaTiO3: trộn hỗn hợp g-C3N4 và CaTiO3, siêu âm và thủy nhiệt ở 180 °C trong 4 giờ.

Phương pháp đặc trưng vật liệu:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): khảo sát hình thái bề mặt, kích thước hạt.
  • Phổ hồng ngoại (IR): xác định liên kết hóa học.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS): phân tích thành phần nguyên tố.
  • Phổ UV-vis DRS: xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm.

Phân tích hoạt tính xúc tác quang:

  • Đánh giá khả năng phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng LED 30W.
  • Xác định thời gian cân bằng hấp phụ và hiệu suất phân hủy MB qua đo quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm.
  • Phân tích động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm tổng hợp vật liệu, đặc trưng và khảo sát hoạt tính xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu CaTiO3 kích thước nano: Mẫu CaTiO3 tổng hợp ở 180 °C có kích thước tinh thể khoảng 30 nm, độ kết tinh cao, không phát hiện pha tạp. Kích thước hạt SEM khoảng 100-150 nm. Năng lượng vùng cấm xác định là 3,52 eV, phù hợp với vùng tử ngoại.

  2. Đặc trưng vật liệu g-C3N4: Phổ XRD cho thấy cấu trúc graphitic với peak chính tại 27,3°, năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV. Phổ IR xác nhận các liên kết C-N trong vòng triazine. Vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt.

  3. Composit g-C3N4/CaTiO3 (1:1) có cấu trúc pha rõ ràng: XRD thể hiện sự kết hợp của hai pha g-C3N4 và CaTiO3, không có pha tạp. Phổ UV-vis DRS cho thấy bờ hấp thụ dịch chuyển sang vùng khả kiến, năng lượng vùng cấm giảm so với CaTiO3 đơn thuần.

  4. Hoạt tính xúc tác quang tăng đáng kể: Mẫu composit g-C3N4/CaTiO3 (1:1) phân hủy MB đạt hiệu suất cao hơn gấp nhiều lần so với CaTiO3 hoặc g-C3N4 riêng lẻ. Thời gian cân bằng hấp phụ khoảng 120 phút. Hiệu suất phân hủy MB đạt trên 90% sau 360 phút chiếu sáng LED 30W, trong khi CaTiO3 chỉ đạt khoảng 40%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất xúc tác quang là do cơ chế chuyển electron hiệu quả giữa g-C3N4 và CaTiO3, làm giảm quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống, kéo dài thời gian tồn tại các cặp quang sinh. Điều này được minh họa qua mô hình Langmuir-Hinshelwood và các đồ thị biểu diễn sự giảm nồng độ MB theo thời gian.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất phân hủy MB của composit này tương đương hoặc vượt trội hơn các vật liệu g-C3N4/Al2O3, g-C3N4/SrTiO3 đã được công bố. Việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt đơn giản, hiệu quả cũng là điểm mạnh của nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp thụ UV-Vis của MB theo thời gian, bảng so sánh kích thước hạt và năng lượng vùng cấm của các mẫu, cũng như đồ thị động học phân hủy MB.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt ở quy mô bán công nghiệp để sản xuất vật liệu xúc tác quang hiệu quả, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Nghiên cứu tối ưu tỷ lệ pha và điều kiện tổng hợp: Thử nghiệm các tỷ lệ g-C3N4/CaTiO3 khác nhau và điều chỉnh nhiệt độ, thời gian thủy nhiệt để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác quang, hướng tới tăng hiệu suất phân hủy trên 95% trong thời gian ngắn hơn 3 giờ.

  3. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải thực tế: Thử nghiệm vật liệu composit trong các hệ thống xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ phức tạp tại một số địa phương, đánh giá hiệu quả và độ bền vật liệu trong điều kiện thực tế.

  4. Phát triển vật liệu composit đa chức năng: Kết hợp g-C3N4/CaTiO3 với các vật liệu khác như kim loại quý hoặc oxit kim loại để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính xúc tác, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện và phân tách nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu: Nghiên cứu về tổng hợp, biến tính vật liệu xúc tác quang, đặc biệt là perovskit và vật liệu polymer bán dẫn.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu xúc tác quang mới trong xử lý ô nhiễm nước, nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Tìm kiếm giải pháp vật liệu xúc tác quang thân thiện, hiệu quả để phát triển sản phẩm xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo các nghiên cứu khoa học về vật liệu xúc tác quang để xây dựng các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu g-C3N4/CaTiO3 có ưu điểm gì so với CaTiO3 đơn thuần?
    Composit g-C3N4/CaTiO3 có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến tốt hơn, giảm quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống, từ đó tăng hiệu suất xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ như methylene blue lên đến trên 90%, trong khi CaTiO3 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại.

  2. Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có ưu điểm gì?
    Phương pháp thủy nhiệt giúp tạo ra vật liệu có kích thước hạt nano đồng nhất, độ tinh khiết cao, kiểm soát được hình thái và kích thước hạt, đồng thời quy trình đơn giản, dễ thực hiện và phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm đến công nghiệp.

  3. Tại sao cần khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ trước khi đánh giá xúc tác?
    Thời gian cân bằng hấp phụ xác định khi lượng chất hữu cơ hấp phụ trên bề mặt vật liệu đạt trạng thái ổn định, giúp phân biệt rõ ràng giữa quá trình hấp phụ và quá trình phân hủy quang xúc tác, đảm bảo đánh giá chính xác hiệu suất xúc tác.

  4. Hiệu suất phân hủy methylene blue được đo như thế nào?
    Hiệu suất được xác định bằng cách đo nồng độ MB còn lại trong dung dịch qua phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm theo thời gian chiếu sáng, từ đó tính tỷ lệ phần trăm MB bị phân hủy so với ban đầu.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
    Có, vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 với hiệu suất cao dưới ánh sáng khả kiến rất phù hợp để xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ độc hại, tuy nhiên cần thử nghiệm thêm trong điều kiện thực tế để đánh giá độ bền và hiệu quả lâu dài.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu perovskit CaTiO3 kích thước nano với độ tinh khiết cao và năng lượng vùng cấm khoảng 3,52 eV.
  • Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp từ melamine có năng lượng vùng cấm khoảng 2,7 eV, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến.
  • Composit g-C3N4/CaTiO3 (1:1) thể hiện sự kết hợp cấu trúc rõ ràng, giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.
  • Hoạt tính xúc tác quang của composit tăng đáng kể, phân hủy methylene blue đạt hiệu suất trên 90% dưới ánh sáng LED 30W trong 6 giờ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả trong vùng ánh sáng khả kiến, có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Next steps: Mở rộng quy mô tổng hợp, tối ưu điều kiện vật liệu, thử nghiệm ứng dụng thực tế và phát triển vật liệu đa chức năng.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường nên tiếp tục khai thác và ứng dụng vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.