I. Tổng quan lý thuyết
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về vật liệu xúc tác quang và các khái niệm liên quan. Xúc tác quang là quá trình xảy ra dưới tác động của ánh sáng, trong đó chất xúc tác không bị biến đổi. Cơ chế phản ứng quang xúc tác diễn ra khi ánh sáng kích thích các electron trong chất bán dẫn, tạo ra cặp electron - lỗ trống. Các electron này có khả năng phản ứng cao, dẫn đến quá trình oxi hóa và khử. Perovskit SrTiO3 là một trong những vật liệu tiềm năng cho ứng dụng này, nhưng hoạt tính xúc tác của nó chủ yếu chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại. Do đó, việc kết hợp với g-C3N4 có thể cải thiện hiệu suất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến.
1.1. Khái niệm xúc tác quang
Xúc tác quang là quá trình mà ánh sáng kích thích các phản ứng hóa học. Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, các electron trong vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, tạo ra lỗ trống. Quá trình này cho phép các chất ô nhiễm trong nước được phân hủy hiệu quả. Vật liệu xúc tác quang có nhiều ưu điểm như không cần năng lượng bổ sung và có thể hoạt động ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên, việc sử dụng ánh sáng tử ngoại làm hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.
1.2. Cơ chế phản ứng quang xúc tác
Cơ chế phản ứng quang xúc tác diễn ra khi ánh sáng kích thích các electron trong chất bán dẫn. Các electron này sẽ tạo ra các gốc tự do, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, sự tái hợp giữa electron và lỗ trống có thể làm giảm hiệu suất xúc tác. Do đó, việc phát triển các vật liệu mới như g-C3N4/SrTiO3 có thể giúp cải thiện hiệu quả này.
1.3. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
Với sự gia tăng ô nhiễm môi trường, việc phát triển các vật liệu xúc tác quang có khả năng xử lý chất thải hữu cơ đang trở thành một nhu cầu cấp thiết. Perovskit SrTiO3 và g-C3N4 có thể kết hợp để tạo ra các vật liệu mới có khả năng hoạt động hiệu quả hơn trong việc phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho các ngành công nghiệp.
II. Phương pháp thực nghiệm
Chương này mô tả các phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu g-C3N4 và SrTiO3. Các vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt và nung từ melamin. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) giúp phân tích hình thái bề mặt. Phổ UV-Vis được sử dụng để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Các phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp.
2.1. Tổng hợp vật liệu
Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp từ melamin qua quá trình nung. SrTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất như Sr(NO3)2 và TiCl4. Cuối cùng, vật liệu composit g-C3N4/SrTiO3 được tạo ra bằng phương pháp rung siêu âm thủy nhiệt. Quá trình tổng hợp này giúp tạo ra các vật liệu có cấu trúc và tính chất tối ưu cho ứng dụng xúc tác quang.
2.2. Đặc trưng vật liệu
Các vật liệu tổng hợp được đặc trưng bằng nhiều phương pháp hiện đại. Nhiễu xạ tia X (XRD) giúp xác định cấu trúc tinh thể, trong khi SEM cung cấp thông tin về hình thái bề mặt. Phổ UV-Vis cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, và phổ hồng ngoại (IR) giúp xác định các liên kết hóa học trong vật liệu. Những thông tin này rất quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của vật liệu trong ứng dụng xúc tác quang.
2.3. Đánh giá hoạt tính xúc tác
Hoạt tính xúc tác của vật liệu được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy xanh metylen (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Nồng độ MB được xác định bằng phương pháp UV-Vis. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hoạt tính xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/SrTiO3 so với từng thành phần riêng lẻ. Điều này chứng tỏ rằng việc kết hợp hai vật liệu này có thể tạo ra một chất xúc tác quang hiệu quả hơn.
III. Kết quả và thảo luận
Chương này trình bày các kết quả thu được từ việc khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu g-C3N4/SrTiO3. Các thí nghiệm cho thấy rằng vật liệu composit có khả năng phân hủy xanh metylen hiệu quả hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Sự kết hợp giữa g-C3N4 và SrTiO3 không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn giảm thiểu sự tái hợp electron và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang. Các yếu tố như pH, nồng độ chất xúc tác và cường độ ánh sáng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy.
3.1. Đặc trưng vật liệu
Các kết quả phân tích cho thấy g-C3N4 có cấu trúc tinh thể đặc trưng và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến. SrTiO3 cũng cho thấy các đặc tính quang học tốt, nhưng hoạt tính xúc tác của nó chủ yếu chỉ hoạt động trong vùng UV. Khi kết hợp hai vật liệu này, khả năng hấp thụ ánh sáng của hệ thống được cải thiện đáng kể, cho phép hoạt động hiệu quả hơn trong vùng ánh sáng khả kiến.
3.2. Khảo sát phản ứng phân hủy
Kết quả khảo sát cho thấy rằng vật liệu composit g-C3N4/SrTiO3 có khả năng phân hủy xanh metylen hiệu quả hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Các thí nghiệm cho thấy rằng hiệu suất phân hủy tăng lên khi tăng cường độ ánh sáng và nồng độ chất xúc tác. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng có thể nâng cao hiệu suất xúc tác quang của vật liệu.
3.3. Khảo sát cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng quang xúc tác của g-C3N4/SrTiO3 được phân tích thông qua các thí nghiệm. Kết quả cho thấy rằng các electron quang sinh và lỗ trống có khả năng phản ứng cao, dẫn đến sự hình thành các gốc tự do có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, sự tái hợp giữa electron và lỗ trống vẫn là một vấn đề cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất xúc tác quang.
