Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các hợp chất hữu cơ độc hại ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt trong bối cảnh phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng. Theo ước tính, lượng nước thải công nghiệp chứa các chất hữu cơ độc hại tăng lên đáng kể, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc xử lý các hợp chất này bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng chất bán dẫn dưới ánh sáng khả kiến được xem là giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường. 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 dưới ánh sáng tử ngoại, hạn chế ứng dụng thực tế. Mặt khác, vật liệu graphitic carbon nitride (g-C3N4) với năng lượng vùng cấm nhỏ hơn (khoảng 2,7 eV) có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt nhưng lại gặp vấn đề tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh, làm giảm hiệu suất xúc tác.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng g-C3N4 để tạo composite g-C3N4/ZnO, nhằm nâng cao hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng đèn LED, với mục tiêu tạo ra vật liệu xúc tác quang hiệu quả, bền vững và có khả năng tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang ứng dụng trong xử lý môi trường nước, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế hoạt động của composite g-C3N4/ZnO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vùng của chất bán dẫn, trong đó chất bán dẫn có ba vùng năng lượng chính: vùng hóa trị (VB), vùng dẫn (CB) và vùng cấm (band gap, Eg). Khi chất bán dẫn được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg, electron từ VB nhảy lên CB tạo ra cặp electron - lỗ trống quang sinh. Quá trình phân tách điện tích này là cơ sở cho hoạt động xúc tác quang. Tuy nhiên, sự tái kết hợp nhanh chóng của cặp này làm giảm hiệu quả xúc tác.

Lý thuyết composite được áp dụng để khắc phục nhược điểm này, bằng cách kết hợp hai chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khác nhau để tạo ra sự chuyển dịch electron và lỗ trống giữa các vùng dẫn và hóa trị của hai vật liệu, từ đó kéo dài thời gian tồn tại của các cặp điện tử - lỗ trống, tăng sinh các gốc tự do mạnh như HO• và O2•−, giúp tăng hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ. Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh (e⁻_CB), lỗ trống quang sinh (h⁺_VB), gốc tự do, và cơ chế Langmuir-Hinshelwood trong động học phản ứng xúc tác quang.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu ZnO, g-C3N4 và composite g-C3N4/ZnO được tổng hợp trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn. Phương pháp tổng hợp sử dụng phương pháp nung pha rắn với các tiền chất melamine và zinc acetate dihydrate theo tỷ lệ khối lượng xác định. Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp khoảng 5-10 gam mỗi lần, đảm bảo đủ cho các phân tích đặc trưng và khảo sát hoạt tính.

Phân tích đặc trưng vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật hóa lý hiện đại: 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) để khảo sát hình thái và kích thước hạt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để xác định thành phần nguyên tố; phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (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 (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng đèn LED 220V - 40W. Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ, sau đó tiến hành chiếu sáng và đo nồng độ MB theo thời gian bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 663 nm. Động học phản ứng được phân tích theo mô hình Langmuir-Hinshelwood để xác định hằng số tốc độ phản ứng. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian nghiên cứu cụ thể, đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4, ZnO và composite g-C3N4/ZnO:

    • Mẫu g-C3N4 có năng lượng vùng cấm khoảng 2,70 eV, hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (380-500 nm).
    • Mẫu ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite với kích thước hạt khoảng 45 nm, năng lượng vùng cấm 3,25 eV, hấp thụ chủ yếu trong vùng tử ngoại (bước sóng < 390 nm).
    • Composite g-C3N4/ZnO thể hiện sự kết hợp thành công của hai vật liệu, với năng lượng vùng cấm giảm còn 2,79 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến (> 445 nm).

  2. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ:

    • Cả ba vật liệu đều đạt cân bằng hấp phụ methylene blue sau khoảng 120 phút, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng xúc tác quang bắt đầu.

  3. Hiệu suất phân hủy methylene blue:

    • Sau 7 giờ chiếu sáng, composite g-C3N4/ZnO đạt hiệu suất phân hủy MB lên đến 86,59%, vượt xa ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%) ở cùng điều kiện.
    • Hằng số tốc độ phản ứng k của composite là 0,276 h⁻¹, gấp 3,29 lần ZnO và 5,41 lần g-C3N4, cho thấy tốc độ phân hủy nhanh hơn rõ rệt.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ MB ban đầu:

    • Hiệu suất phân hủy giảm khi tăng nồng độ MB từ 5 mg/L lên 20 mg/L, do sự che khuất ánh sáng và cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt xúc tác.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hoạt tính xúc tác quang của composite g-C3N4/ZnO so với các vật liệu đơn lẻ được giải thích bởi cơ chế giảm thiểu quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh nhờ sự chuyển dịch điện tích giữa hai pha bán dẫn. Điều này làm tăng thời gian tồn tại của các cặp điện tử - lỗ trống, từ đó sinh ra nhiều gốc tự do HO• và O2•− có khả năng oxy hóa mạnh các hợp chất hữu cơ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về composite g-C3N4/ZnO và các vật liệu composite tương tự.

Việc giảm năng lượng vùng cấm từ 3,25 eV (ZnO) xuống 2,79 eV (composite) mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, tận dụng hiệu quả nguồn sáng đèn LED và ánh sáng mặt trời. Các biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của ln(C0/C) theo thời gian cho thấy quá trình phân hủy MB tuân theo động học bậc một, phù hợp với mô hình Langmuir-Hinshelwood, giúp đánh giá chính xác hằng số tốc độ phản ứng.

Các kết quả đặc trưng vật liệu qua XRD, IR, SEM và EDS khẳng định sự kết hợp thành công giữa g-C3N4 và ZnO, tạo ra composite có cấu trúc ổn định, kích thước hạt đồng đều và thành phần nguyên tố phù hợp. Hình ảnh SEM cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hình thái bề mặt giữa ZnO và composite, phản ánh sự bao phủ và tương tác giữa hai pha.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ thành phần g-C3N4/ZnO: Tiến hành nghiên cứu thêm các tỷ lệ khác nhau để xác định tỷ lệ tối ưu nhằm đạt hiệu suất xúc tác cao nhất, cải thiện hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ khác nhau trong môi trường nước. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu hóa vô cơ.

  2. Nâng cao khả năng tái sử dụng vật liệu: Phát triển quy trình tái sử dụng composite g-C3N4/ZnO nhiều chu kỳ mà không giảm hoạt tính đáng kể, nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững cho ứng dụng thực tế. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm và đối tác công nghiệp.

  3. Mở rộng khảo sát ứng dụng với các chất ô nhiễm khác: Thử nghiệm phân hủy các loại thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và hợp chất hữu cơ phức tạp khác để đánh giá tính đa dụng của composite trong xử lý nước thải công nghiệp. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu môi trường.

  4. Phát triển hệ thống phản ứng xúc tác quang quy mô pilot: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sử dụng composite g-C3N4/ZnO dưới ánh sáng tự nhiên hoặc đèn LED công suất lớn, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tế. Thời gian: 18-24 tháng; chủ thể: liên kết giữa trường đại học và doanh nghiệp.

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, đặc trưng và ứng dụng vật liệu composite xúc tác quang, cung cấp kiến thức chuyên sâu và phương pháp thực nghiệm hiện đại.

  2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước thải bằng xúc tác quang, đặc biệt trong xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý nước: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng và giới hạn của 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 g-C3N4 với ZnO để tạo composite?
    Việc kết hợp giúp giảm năng lượng vùng cấm của ZnO, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến và giảm quá trình tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh, từ đó tăng hiệu suất xúc tác quang.

  2. Composite g-C3N4/ZnO có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Theo nghiên cứu, composite có thể tái sử dụng nhiều chu kỳ mà không giảm hoạt tính đáng kể, thể hiện tính bền vững và kinh tế trong ứng dụng xử lý nước.

  3. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp không?
    Phương pháp nung pha rắn sử dụng melamine và zinc acetate dihydrate đơn giản, dễ thực hiện và kiểm soát, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp nhỏ.

  4. Hiệu suất phân hủy methylene blue của composite so với ZnO và g-C3N4 như thế nào?
    Composite đạt hiệu suất phân hủy MB lên đến 86,59% sau 7 giờ, cao hơn nhiều so với ZnO (45,23%) và g-C3N4 (30,21%) trong cùng điều kiện.

  5. Có thể ứng dụng composite này để xử lý các chất ô nhiễm khác không?
    Composite có tiềm năng phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau nhờ cơ chế tạo gốc tự do mạnh, tuy nhiên cần khảo sát thêm với từng loại chất ô nhiễm cụ thể để đánh giá hiệu quả.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công composite g-C3N4/ZnO với năng lượng vùng cấm giảm còn 2,79 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
  • Composite thể hiện hoạt tính xúc tác quang vượt trội, phân hủy methylene blue đạt hiệu suất 86,59%, nhanh gấp 3-5 lần so với vật liệu đơn lẻ.
  • Cơ chế hoạt động dựa trên giảm thiểu tái kết hợp electron - lỗ trống, tăng sinh gốc tự do oxy hóa mạnh.
  • Phương pháp tổng hợp đơn giản, vật liệu có cấu trúc ổn định, kích thước hạt đồng đều và thành phần nguyên tố phù hợp.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu tối ưu thành phần, nâng cao tái sử dụng và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa tỷ lệ thành phần composite, khảo sát hiệu quả với các chất ô nhiễm đa dạng và phát triển hệ thống xử lý quy mô pilot. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để thúc đẩy ứng dụng công nghệ xúc tác quang thân thiện môi trường.

Hãy liên hệ để nhận bản đầy đủ luận văn và hợp tác nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả!