I. Tổng hợp và biến tính vật liệu gan ZnO
Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và biến tính vật liệu gan ZnO để tạo ra các vật liệu composit có khả năng xúc tác quang hiệu quả. Vật liệu gan ZnO được tổng hợp từ các nguyên liệu cơ bản như Ga2O3 và ZnO thông qua phương pháp nung. Quá trình biến tính nhằm cải thiện tính chất quang học và khả năng xúc tác của vật liệu, đặc biệt trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm nước. Các phương pháp đặc trưng như XRD, SEM, UV-Vis DRS được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu.
1.1. Tổng hợp vật liệu gan ZnO
Tổng hợp vật liệu gan ZnO được thực hiện bằng phương pháp nung ở nhiệt độ cao, từ 800°C đến 900°C. Quá trình này tạo ra dung dịch rắn GaN-ZnO với cấu trúc mạng tinh thể lục phương. Các thông số như tỷ lệ mol Ga/Zn và nhiệt độ nung được điều chỉnh để tối ưu hóa tính chất vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có kích thước hạt nano, giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện hiệu suất xúc tác quang.
1.2. Biến tính vật liệu gan ZnO
Biến tính vật liệu gan ZnO được thực hiện bằng cách kết hợp với g-C3N4 để tạo ra vật liệu composit g-C3N4/GaN-ZnO. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất và ổn định của vật liệu. Kết quả phân tích XRD và SEM cho thấy sự hình thành của cấu trúc composit, với sự cải thiện đáng kể về tính chất quang học và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
II. Ứng dụng vật liệu gan ZnO trong xúc tác quang
Vật liệu gan ZnO và các composit của nó được ứng dụng trong xúc tác quang để xử lý các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm nước. Cơ chế xúc tác quang dựa trên sự hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, giúp phân hủy các chất hữu cơ độc hại. Các thí nghiệm được tiến hành với xanh metylen (MB) làm mô hình chất ô nhiễm, cho thấy hiệu suất phân hủy cao dưới ánh sáng khả kiến.
2.1. Cơ chế xúc tác quang
Cơ chế xúc tác quang của vật liệu gan ZnO dựa trên sự hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg). Khi được kích thích, các electron từ vùng hóa trị (VB) chuyển lên vùng dẫn (CB), tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống này có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ, trong khi các electron tham gia vào quá trình khử, tạo ra các gốc tự do như •OH và •O2ˉ, giúp phân hủy các chất ô nhiễm.
2.2. Hiệu suất xúc tác quang
Hiệu suất xúc tác quang của vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO được đánh giá thông qua khả năng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước. Kết quả cho thấy, vật liệu composit có hiệu suất phân hủy cao hơn so với vật liệu đơn lẻ, đạt tới 90% sau 120 phút dưới ánh sáng khả kiến. Các yếu tố như nồng độ ban đầu của MB, cường độ ánh sáng và pH dung dịch cũng được khảo sát để tối ưu hóa quá trình xúc tác.
III. Công nghệ xử lý nước và ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong công nghệ xử lý nước bằng cách sử dụng vật liệu gan ZnO và các composit của nó. Vật liệu này không chỉ hiệu quả trong việc phân hủy các chất hữu cơ độc hại mà còn có chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Các ứng dụng thực tiễn bao gồm xử lý nước thải công nghiệp, nước sinh hoạt và các nguồn nước bị ô nhiễm khác.
3.1. Xử lý nước thải công nghiệp
Xử lý nước thải công nghiệp là một trong những ứng dụng quan trọng của vật liệu gan ZnO. Các chất hữu cơ độc hại như phenol, dầu mỡ và các hợp chất hữu cơ khác có thể được phân hủy hiệu quả bằng phương pháp xúc tác quang. Các thí nghiệm cho thấy, vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO có khả năng loại bỏ tới 85% các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp sau 180 phút xử lý.
3.2. Ứng dụng trong xử lý nước sinh hoạt
Ứng dụng trong xử lý nước sinh hoạt cũng được nghiên cứu, với mục tiêu loại bỏ các vi khuẩn và chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vật liệu gan ZnO và các composit của nó có khả năng tiêu diệt vi khuẩn và phân hủy các chất hữu cơ trong nước sinh hoạt, giúp cải thiện chất lượng nước và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
