I. Tổng quan về ZnO và g C3N4
ZnO và g-C3N4 là hai vật liệu bán dẫn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực quang xúc tác. ZnO có cấu trúc wurtzite, độ rộng vùng cấm lớn (3.36 eV), thích hợp cho các ứng dụng trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, ZnO có nhược điểm là hoạt tính quang xúc tác thấp trong vùng ánh sáng khả kiến. g-C3N4 là vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ (khoảng 2.7 eV), hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến, nhưng dễ tái kết hợp electron và lỗ trống, làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Việc kết hợp ZnO và g-C3N4 tạo thành composite g-C3N4/ZnO nhằm khắc phục các nhược điểm của từng vật liệu riêng lẻ, đồng thời tăng cường hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến.
1.1. Cấu trúc và tính chất của ZnO
ZnO tồn tại chủ yếu dưới dạng cấu trúc wurtzite, với các ion Zn2+ và O2- sắp xếp theo hình tứ diện. Cấu trúc này ổn định và bền vững, phù hợp cho các ứng dụng trong quang xúc tác. Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm lớn của ZnO hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Để cải thiện, ZnO thường được pha tạp hoặc kết hợp với các vật liệu khác như g-C3N4 để giảm năng lượng vùng cấm và tăng hiệu suất quang xúc tác.
1.2. Đặc điểm và tiềm năng của g C3N4
g-C3N4 là vật liệu bán dẫn gốc carbon, có cấu trúc graphitic với các lớp liên kết yếu. Vật liệu này có năng lượng vùng cấm nhỏ, hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến, và có tính ổn định hóa học cao. Tuy nhiên, g-C3N4 dễ tái kết hợp electron và lỗ trống, làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Việc kết hợp g-C3N4 với ZnO tạo thành composite giúp giảm quá trình tái kết hợp và tăng cường hoạt tính quang xúc tác.
II. Tổng hợp và biến tính ZnO bằng g C3N4
Quá trình tổng hợp composite g-C3N4/ZnO bao gồm các bước chính: tổng hợp g-C3N4 từ melamine, tổng hợp ZnO từ zinc acetate dihydrate, và kết hợp hai vật liệu này để tạo thành composite. Phương pháp nung được sử dụng để tổng hợp các vật liệu, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của composite. Composite g-C3N4/ZnO được đặc trưng bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ UV-Vis để xác định cấu trúc, hình thái, và tính chất quang học của vật liệu.
2.1. Tổng hợp g C3N4
g-C3N4 được tổng hợp từ melamine bằng phương pháp nung ở nhiệt độ cao. Quá trình này tạo ra vật liệu có cấu trúc graphitic, với các lớp liên kết yếu, phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác. g-C3N4 tổng hợp được đặc trưng bằng các phương pháp XRD và SEM để xác định cấu trúc và hình thái.
2.2. Tổng hợp ZnO
ZnO được tổng hợp từ zinc acetate dihydrate bằng phương pháp sol-gel. Quá trình này tạo ra các hạt nano ZnO có kích thước đồng đều và cấu trúc wurtzite. ZnO tổng hợp được đặc trưng bằng XRD và SEM để xác định cấu trúc và hình thái.
2.3. Tổng hợp composite g C3N4 ZnO
Composite g-C3N4/ZnO được tổng hợp bằng cách kết hợp g-C3N4 và ZnO theo tỷ lệ nhất định, sau đó nung ở nhiệt độ cao để tạo liên kết giữa hai vật liệu. Composite được đặc trưng bằng XRD, SEM, và phổ UV-Vis để xác định cấu trúc, hình thái, và tính chất quang học.
III. Ứng dụng của composite g C3N4 ZnO trong quang xúc tác
Composite g-C3N4/ZnO được ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước. Vật liệu này có hiệu suất quang xúc tác cao nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt và giảm quá trình tái kết hợp electron và lỗ trống. Composite g-C3N4/ZnO được khảo sát hoạt tính quang xúc tác thông qua phản ứng phân hủy methylene blue (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến.
3.1. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
Hoạt tính quang xúc tác của composite g-C3N4/ZnO được khảo sát bằng cách đo sự phân hủy MB trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy composite có hiệu suất phân hủy MB cao hơn so với ZnO và g-C3N4 riêng lẻ, nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt và giảm quá trình tái kết hợp electron và lỗ trống.
3.2. Cơ chế quang xúc tác
Cơ chế quang xúc tác của composite g-C3N4/ZnO dựa trên sự tạo thành các cặp electron và lỗ trống quang sinh khi được chiếu sáng. Các electron quang sinh từ ZnO chuyển sang g-C3N4, làm giảm quá trình tái kết hợp và tăng cường sự hình thành các gốc tự do như HO• và •O2-, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.
IV. Kết luận và triển vọng
Composite g-C3N4/ZnO là vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực quang xúc tác, đặc biệt là ứng dụng trong vùng ánh sáng khả kiến. Vật liệu này kết hợp ưu điểm của ZnO và g-C3N4, giúp tăng cường hoạt tính quang xúc tác và giảm quá trình tái kết hợp electron và lỗ trống. Composite g-C3N4/ZnO có thể được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả và thân thiện với môi trường.
