Tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bởi g-C3N4 ứng dụng làm chất xúc tác quang

Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu 0121 tổng hợp và biến tính vật liệu zno bởi g c3n4 ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất

• Tác giả: Đỗ Thị Hồng Trâm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Kim
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Và Biến Tính Vật Liệu ZnO Bởi g-C3N4 Ứng Dụng Làm Chất Xúc Tác Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 1.1.1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng
• 1.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ ZINC OXIDE (ZnO)
• 1.2.1. Cấu trúc
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của ZnO trong lĩnh vực xúc tác quang
• 1.3. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHITIC CARBON NITRIDE (g-C3N4)
• 1.3.1. Đặc điểm cấu tạo
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ COMPOSITE g-C3N4/ZnO
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC
• 2.1.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine
• 2.1.2. Tổng hợp vật liệu ZnO từ zinc acetate dihydrate
• 2.1.3. Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnO
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
• 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.3. Phương pháp phổ tán xạ khuếch tán tia tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)
• 2.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
• 2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG
• 2.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 2.3.3. Phân tích định lượng methylene blue
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 3.1.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4
• 3.1.2. Đặc trưng vật liệu ZnO
• 3.1.3. Đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/ZnO
• 3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
• 3.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ
• 3.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
• 3.2.3. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/ZnO
• 3.2.4. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác
• CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng g C3N4

Chất xúc tác quang đang trở thành một trong những giải pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm môi trường. Trong đó, vật liệu ZnO kết hợp với g-C3N4 đã thu hút sự chú ý lớn từ các nhà nghiên cứu. Việc tổng hợp và biến tính vật liệu này không chỉ giúp tăng cường hoạt tính xúc tác mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải.

1.1. Giới thiệu về vật liệu ZnO và g C3N4

ZnO là một chất bán dẫn có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang. G-C3N4, với cấu trúc độc đáo, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, giúp cải thiện hiệu suất quang xúc tác của ZnO.

1.2. Tại sao cần biến tính vật liệu ZnO

Việc biến tính ZnO bằng g-C3N4 giúp giảm độ rộng vùng cấm, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và cải thiện hiệu suất xúc tác quang.

II. Thách thức trong việc tổng hợp vật liệu ZnO và g C3N4

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnO vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như sự tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất xúc tác.

2.1. Vấn đề tái kết hợp electron

Tái kết hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh là một trong những nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất quang xúc tác của vật liệu. Cần có các phương pháp để giảm thiểu hiện tượng này.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát kích thước hạt

Kích thước hạt của ZnO và g-C3N4 ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác. Việc kiểm soát kích thước hạt trong quá trình tổng hợp là một thách thức lớn.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO và g C3N4 hiệu quả

Để tạo ra vật liệu composite g-C3N4/ZnO, nhiều phương pháp tổng hợp đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện tính chất vật liệu mà còn tăng cường hoạt tính xúc tác quang.

3.1. Phương pháp sol gel trong tổng hợp ZnO

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp hiệu quả để tổng hợp ZnO với kích thước hạt đồng đều và tính chất quang học tốt.

3.2. Tổng hợp g C3N4 từ melamine

G-C3N4 có thể được tổng hợp từ melamine thông qua quá trình nung, tạo ra vật liệu với cấu trúc ổn định và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu composite g C3N4 ZnO

Vật liệu composite g-C3N4/ZnO đã cho thấy nhiều ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải. Hiệu suất quang xúc tác của vật liệu này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm.

4.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang

Nghiên cứu cho thấy composite g-C3N4/ZnO có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như methylene blue dưới ánh sáng khả kiến.

4.2. Tiềm năng trong xử lý ô nhiễm môi trường

Vật liệu này không chỉ có khả năng xử lý nước thải mà còn có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như năng lượng và môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu ZnO biến tính

Tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng g-C3N4 mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng chất xúc tác quang. Tương lai của vật liệu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu composite

Nghiên cứu về vật liệu composite g-C3N4/ZnO sẽ tiếp tục được mở rộng, với nhiều phương pháp tổng hợp mới và ứng dụng đa dạng hơn.

5.2. Hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm

Việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả hơn sẽ góp phần quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại đang là vấn đề nghiêm trọng trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa. Theo ước tính, lượng nước thải công nghiệp chứa các chất hữu cơ độc hại ngày càng gia tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trong đó, phương pháp xử lý các hợp chất này bằng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời được xem là giải pháp thân thiện và hiệu quả. Tuy nhiên, các vật liệu xúc tác quang truyền thống như ZnO có độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,36 eV), chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, hạn chế khả năng ứng dụng thực tế. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng graphitic carbon nitride (g-C3N4) để tạo composite g-C3N4/ZnO có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến, nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác quang trên dung dịch methylene blue (MB) dưới ánh sáng LED tại Trường Đại học Quy Nhơn. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang mới, hiệu quả, thân thiện môi trường, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết vùng của chất bán dẫn, trong đó chất xúc tác quang hoạt động nhờ quá trình kích thích tạo cặp electron - lỗ trống quang sinh khi hấp thụ ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg). Các electron và lỗ trống này tham gia phản ứng oxy hóa khử, tạo ra các gốc tự do như HO• và O2•-, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Tuy nhiên, quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống làm giảm hiệu quả xúc tác. Do đó, việc tạo composite giữa ZnO và g-C3N4 nhằm giảm tái tổ hợp, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tăng hiệu suất xúc tác. Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), cặp electron - lỗ trống quang sinh, cơ chế quang xúc tác, vật liệu composite, và mô hình động học Langmuir-Hinshelwood dùng để đánh giá tốc độ phản ứng xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu ZnO, g-C3N4 và composite g-C3N4/ZnO được tổng hợp bằng phương pháp nung pha rắn tại Trường Đại học Quy Nhơn. Cỡ mẫu gồm các mẫu vật liệu được chuẩn bị theo tỷ lệ khối lượng melamine và zinc acetate dihydrate, với quy trình nung ở 520°C trong 4 giờ. Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (IR) để nhận diện liên kết hóa học; hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố; phổ UV-Vis DRS để xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm. Hoạt tính xúc tác quang được đánh giá qua phản ứng phân hủy methylene blue dưới ánh sáng LED 220V - 40W, với nồng độ MB ban đầu 5 mg/L và khối lượng xúc tác 0,05 g. Thời gian nghiên cứu kéo dài đủ để xác định thời gian cân bằng hấp phụ và hiệu suất phân hủy MB. Phân tích động học sử dụng mô hình Langmuir-Hinshelwood để tính hằng số tốc độ phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4: XRD cho thấy peak đặc trưng ở 27,3° và 13,2°, tương ứng với cấu trúc tri-s-triazine; phổ IR xác định các liên kết C-N, C=N và nhóm amine; phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm khoảng 2,70 eV, phù hợp với tài liệu. Kích thước hạt không được nêu rõ nhưng vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.

2. Đặc trưng vật liệu ZnO: XRD xác nhận cấu trúc wurtzite với kích thước tinh thể khoảng 45 nm; phổ IR ghi nhận liên kết Zn-O và nhóm OH trên bề mặt; SEM cho thấy hạt hình cầu kích thước khoảng 50 nm; phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm 3,25 eV, bờ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng tử ngoại (λ ≈ 382 nm). Thành phần nguyên tố Zn và O chiếm lần lượt 22,03% và 77,97% khối lượng theo EDS.

3. Đặc trưng composite g-C3N4/ZnO: XRD thể hiện sự kết hợp thành công giữa ZnO và g-C3N4 với các peak đặc trưng của cả hai vật liệu; phổ IR cho thấy sự dịch chuyển nhẹ của các liên kết C=N và C-N, chứng tỏ tương tác giữa hai thành phần; SEM cho thấy hình thái hạt mờ hơn do sự bao phủ của g-C3N4; EDS xác định thành phần C (16,10%), N (29,39%), Zn (40,26%) và O (14,25%). Phổ UV-Vis DRS cho thấy bờ hấp thụ ánh sáng mở rộng vào vùng khả kiến (λ > 445 nm) với năng lượng vùng cấm giảm còn 2,79 eV.

4. Hoạt tính xúc tác quang: Thời gian cân bằng hấp phụ của composite là 120 phút, tương tự ZnO và g-C3N4. Hiệu suất phân hủy MB sau 7 giờ chiếu sáng đạt 86,59% với composite, vượt xa ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%). Hằng số tốc độ phản ứng k của composite là 0,276, gấp 3,29 lần ZnO và 5,41 lần g-C3N4, chứng tỏ hiệu quả xúc tác được cải thiện rõ rệt nhờ giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp giữa ZnO và g-C3N4 tạo ra composite có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến tốt hơn nhờ giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV xuống 2,79 eV. Điều này giúp vật liệu hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng LED phổ rộng, phù hợp với điều kiện thực tế. Ngoài ra, cơ chế chuyển electron từ vùng dẫn của ZnO sang g-C3N4 làm giảm quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng thời gian tồn tại các cặp điện tích quang sinh, từ đó tăng sinh các gốc tự do oxy hóa mạnh. Kết quả động học theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với hệ số hồi quy R² ≥ 0,969 cho thấy quá trình phân hủy MB tuân theo động học bậc một, minh chứng cho tính ổn định và hiệu quả của composite. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất và tốc độ phân hủy MB của composite g-C3N4/ZnO trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, khẳng định tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân hủy MB theo thời gian và bảng so sánh hằng số tốc độ phản ứng giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần composite: Thực hiện nghiên cứu điều chỉnh tỷ lệ melamine và zinc acetate để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác quang, nhằm đạt hiệu quả phân hủy cao hơn trong thời gian ngắn hơn. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu hóa vô cơ, thời gian 6-12 tháng.

2. Mở rộng khảo sát ứng dụng thực tế: Thử nghiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại khác trong nước thải công nghiệp tại các địa phương, đánh giá hiệu quả và độ bền của composite trong môi trường phức tạp. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu môi trường, thời gian 12-18 tháng.

3. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn: Nghiên cứu và thiết kế quy trình tổng hợp composite g-C3N4/ZnO trên quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng vật liệu. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ vật liệu, thời gian 18-24 tháng.

4. Nâng cao tính bền vững và tái sử dụng: Khảo sát khả năng tái sử dụng composite qua nhiều chu kỳ xúc tác, đồng thời nghiên cứu các phương pháp tái sinh vật liệu để giảm chi phí và tác động môi trường. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp, thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu composite xúc tác quang, phục vụ phát triển đề tài liên quan.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường trong xử lý nước thải công nghiệp.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo quy trình tổng hợp và đánh giá hiệu suất vật liệu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao giá trị cạnh tranh.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng ứng dụng công nghệ xúc tác quang trong xử lý ô nhiễm nước, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần kết hợp ZnO với g-C3N4 để tạo composite?
   Việc kết hợp giúp giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV của ZnO xuống còn 2,79 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến. Đồng thời, composite giảm quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống, tăng hiệu suất xúc tác quang.

2. Phương pháp tổng hợp composite g-C3N4/ZnO được thực hiện như thế nào?
   Composite được tổng hợp bằng phương pháp nung pha rắn, trộn melamine và zinc acetate dihydrate theo tỷ lệ nhất định, nung ở 520°C trong 4 giờ, sau đó rửa và sấy mẫu.

3. Hiệu suất phân hủy methylene blue của composite so với ZnO và g-C3N4 ra sao?
   Sau 7 giờ chiếu sáng, composite đạt hiệu suất 86,59%, cao hơn nhiều so với ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%), chứng tỏ hiệu quả xúc tác được cải thiện rõ rệt.

4. Composite có thể tái sử dụng nhiều lần không?
   Theo nghiên cứu, composite g-C3N4/ZnO có khả năng tái sử dụng nhiều chu kỳ mà không mất hoạt tính đáng kể, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước thải lâu dài.

5. Ứng dụng thực tế của composite g-C3N4/ZnO là gì?
   Composite có thể ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ độc hại, tận dụng ánh sáng mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo để phân hủy chất ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công composite g-C3N4/ZnO với cấu trúc tinh thể rõ ràng, thành phần nguyên tố đồng nhất và năng lượng vùng cấm giảm so với ZnO đơn chất.
• Composite thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, mở rộng phạm vi hoạt động xúc tác quang dưới ánh sáng LED.
• Hiệu suất phân hủy methylene blue của composite đạt 86,59% sau 7 giờ, vượt trội so với ZnO và g-C3N4 riêng lẻ.
• Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood phù hợp với quá trình xúc tác, hằng số tốc độ phản ứng của composite cao gấp 3-5 lần so với các vật liệu thành phần.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa thành phần, mở rộng ứng dụng thực tế và phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn nhằm ứng dụng hiệu quả trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý nước thải. Để tiếp tục phát huy kết quả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu của đề tài. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Phƣơng pháp nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Cấu trúc luận văn. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.

VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang. GIỚI THIỆU VỀ ZINC OXIDE (ZnO).

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của ZnO trong lĩnh vực xúc tác quang. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHITIC CARBON NITRIDE (g-C3N4). Đặc điểm cấu tạo. Phƣơng pháp tổng hợp và tiềm năng ứng dụng của g-C3N4.

GIỚI THIỆU VỀ COMPOSITE g-C3N4/ZnO. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine.

Tổng hợp vật liệu ZnO từ zinc acetate dihydrate. Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnO. PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD).

Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phƣơng pháp phổ tán xạ khuếch tán tia tử ngoại khả kiến (UV- vis DRS). Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR). Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDS).

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Phân tích định lƣợng methylene blue.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU. Đặc trƣng vật liệu g-C3N4. Đặc trƣng vật liệu ZnO.

Đặc trƣng vật liệu composite g-C3N4/ZnO. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CÚA VẬT LIỆU. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hƣởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/ZnO. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác.49 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Nồng độ (mg/L) g : gam L : lít mg : miligam nm : nanomet λ : Bƣớc sóng (nm) d : Kích thƣớc hạt trung bình CB : Conduction band (Vùng dẫn) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm) EDS : Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán xạ năng lƣợng tia X) h⁺VB : Photogenerated hole (Lỗ trống quang sinh) IR : Infrared (Phổ hồng ngoại) MB : Methylene blue (Xanh metylen) SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) UV-Vis DRS : UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến) VB : Valance band (Vùng hóa trị) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Danh mục hóa chất. Thành phần nguyên tố của mẫu ZnO đặc trƣng bởi phổ EDS.

Thành phần nguyên tố của mẫu composite g-C3N4/ZnO. Hằng số tốc độ của vật liệu g-C3N4, ZnO và composite g-C3N4/ZnO40 Bảng 3. Sự thay đổi giá trị ΔpHi theo pHi. 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.

Cơ chế phản ứng của vật liệu biến tính. Cấu trúc wurtzite của vật liệu ZnO. Mô hình các khối cơ bản của g-C3N4: s-triazine (a), tri-s-triazine (b) 10 Hình 1. Sơ đồ minh họa quá trình tổng hợp g-C3N4 từ các tiền chất.

Sơ đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét. Sơ đồ nguyên lý phổ EDS. Phổ UV-Vis của dung dịch MB.

Sự phụ thuộc của cƣờng độ hấp thụ UV-Vis của dung dịch MB ở bƣớc sóng 663 nm theo nồng độ. Các kết quả đặc trƣng vật liệu tổng hợp g-C3N4 từ melamine. Các kết quả đặc trƣng vật liệu tổng hợp ZnO từ zinc acetatedihydrate. Phổ UV-vis DRS và năng lƣợng vùng cấm của mẫu vật liệu ZnO 32 Hình 3.

Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu vật liệu g-C3N4, ZnO và g-C3N4/ZnO. Phổ IR của các mẫu vật liệu ZnO, g-C3N4 và g-C3N4/ZnO. Ảnh SEM của vật liệu: ZnO (a) và g-C3N4/ZnO (b). Phổ EDS của mẫu vật liệu g-C3N4/ZnO.

Phổ UV-vis DRS và năng lƣợng vùng cấm của composite g- C3N4/ZnO. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ của các vật liệu đối với dung dịch MB. Sự phân hủy MB bởi các vật liệu g-C3N4, ZnO và composite g- C3N4/ZnO dƣới sự chiếu xạ (xúc tác 0,05 gam, nồng độ MB 5 mg/L và đèn LED 220V - 40W). Sự phụ thuộc của giá trị ln(C0/C) vào thời gian t (giờ) theo mô hình Langmuir - Hinshelwood của mẫu g-C3N4, ZnO và composite g-C3N4/ZnO.

Sự phân hủy MB bởi vật liệu composite g-C3N4/ZnO ở nồng độ MB ban đầu khác nhau (mxt = 0,05 g, V = 80 mL, đèn LED 220V - 40W). Hiệu suất xúc tác quang của g-C3N4/ZnO ở MB 5 mg/L khi sử dụng các cƣờng độ nguồn sáng khác nhau (mxt = 0,05 g, V = 80 mL). Sự phụ thuộc ΔpHi vào pHi nhằm xác định điểm điện tích không pHpzc của vật liệu g-C3N4/ZnO. A-Sự thay đổi C/C0 theo thời gian ở các pH đầu khác nhau; B- Hiệu suất quang phân hủy với các pH đầu khác nhau.

A- Ảnh hƣởng của các chất dập tắt gốc tự do đến quá trình phân hủy MB trên vật liệu g-C3N4/ZnO (nồng độ MB 5 mg/L, đèn LED 40W – 220W); B- Hiệu suất quang phân hủy dƣới tác dụng của các chất dập tắt khác nhau. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood áp dụng cho mẫu vật liệu g-C3N4/ZnO với các chất dập tắt khác nhau. Mô hình giả thiết sự giảm quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống trong vật liệu composite g-C3N4/ZnO. Lý do chọn đề tài Bên cạnh việc nâng cao chất lƣợng cuộc sống của con ngƣời, việc tìm ra các biện pháp bảo vệ môi trƣờng cũng là một nhiệm vụ quan trọng của các nhà khoa học.

Nền công nghiệp càng phát triển, dân cƣ tập trung ở các thành phố lớn càng đông thì lƣợng nƣớc thải từ các nhà máy công nghiệp chứa nhiều chất hữu cơ độc hại sẽ càng gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời. Do đó, việc xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong môi trƣờng nƣớc luôn là vấn đề đƣợc quan tâm. Trong số nhiều cách xử lý chất hữu cơ độc hại trong môi trƣờng nƣớc hiện nay thì phƣơng pháp oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng oxy không khí sử dụng chất bán dẫn làm xúc tác dƣới tác dụng của ánh sáng mặt trời đã và đang đƣợc các nhà khoa học trên thế giới đầu tƣ nghiên cứu. Tuy nhiên, các vật liệu xúc tác này vẫn còn tồn tại nhiều nhƣợc điểm nhƣ mật độ tâm hoạt tính thấp và xúc tác chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại [1, 2].

Vì thế, mục tiêu đặt ra là tổng hợp đƣợc các xúc tác quang có nhiều tâm hoạt động và làm việc hiệu quả trong vùng ánh sáng khả kiến. Gần đây, một trong số các chất bán dẫn đƣợc chú ý sử dụng làm chất xúc tác quang là zinc oxide (ZnO) vì nó có phổ hấp thụ ánh sáng rộng, thích hợp cho quá trình oxi hóa quang xúc tác các hợp chất hữu cơ dƣới tác dụng của ánh sáng mặt trời, thêm vào đó là bản chất không độc hại, ổn định với môi trƣờng và chi phí thấp. Nhƣng ZnO có độ rộng vùng cấm lớn (3,36V) [3], nên cách hiệu quả nhất để tăng hoạt tính quang xúc tác của ZnO trong vùng khả kiến là làm giảm độ rộng vùng cấm của nó. Trong khi đó graphitic carbon nitride (g-C3N4) nhƣ một chất bán dẫn đầy tiềm năng vì nó có năng lƣợng vùng cấm bé (khoảng 2,7 eV), hấp thụ ánh 2 sáng khả kiến tốt, bền hóa, dễ tổng hợp với lƣợng lớn.

Tuy nhiên, nhƣợc điểm là dễ tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Một trong những hƣớng nghiên cứu khắc phục nhƣợc điểm này là kết hợp g-C3N4 với một vật liệu khác để tạo composite [4, 5]. Việc kết hợp ZnO với g-C3N4 là một hƣớng đi mới đầy hứa hẹn tạo ra vật liệu mới, vừa tăng cƣờng hoạt tính quang xúc tác của ZnO trong vùng ánh sáng khả kiến vừa làm giảm sự tái kết hợp electron – lỗ trống quang sinh trong g-C3N4. Hơn nữa, chất xúc tác quang g-C 3N4/ZnO có thể đƣợc tái sử dụng nhiều lần mà không bị mất hoạt tính đáng kể, điều đó cho thấy đây là ứng cử viên sáng giá cho việc xử lý môi trƣờng nƣớc [6].

Xuất phát từ thực tế và những cơ sở khoa học trên, tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bởi g-C 3N4 ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến”. Mục tiêu của đề tài Tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bởi g-C 3N4 để tạo composite g- C3N4/ZnO có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu: - Vật liệu ZnO; - Vật liệu g-C3N4/ZnO; - Methylene blue.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp, biến tính ZnO bởi g-C3N4 và khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp đƣợc bằng phản ứng phân hủy methylene blue trong dung dịch nƣớc. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tổng hợp và thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài. - Các vật liệu ZnO, g-C3N4 và g-C3N4/ZnO đƣợc tổng hợp bằng phƣơng 3 pháp nung. - Đặc trƣng vật liệu bằng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại nhƣ: + Nhiễu xạ tia X: phân tích cấu trúc.

+ Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM): khảo sát hình thái, kích thƣớc, độ phân tán của vật liệu. + Phổ hồng ngoại (IR): xác định các liên kết trong vật liệu tổng hợp. + Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX): xác định thành phần hóa học của vật liệu rắn. + Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lƣợng vùng cấm của vật liệu.

+ Hoạt tính xúc tác đƣợc đánh giá theo phƣơng pháp chu n. Nồng độ hợp chất hữu cơ xanh metylen đƣợc xác định theo phƣơng pháp UV-Vis. Nội dung nghiên cứu a. Tổng hợp vật liệu ZnO.

Tổng hợp vật liệu g-C3N4. Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnO. Đặc trƣng vật liệu tổng hợp. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp đƣợc bằng phản ứng phân hủy MB trong dung dịch nƣớc dƣới ánh sáng khả kiến.

Cấu trúc luận văn Luận văn đƣợc kết cấu gồm các phần: a. Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết c. Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm d. Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận e.

Kết luận 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng Quang xúc tác là quá trình xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.