METALLIC NANOPARTICLES SUPPORTED ON ZEOLITE-ADDED TiO2 AND PLASMA-MODIFIED TiO2: SYNTHESIS AND PHOTOCATALYTIC OXIDATION APPLICATIONS

VOCs là các hợp chất hữu cơ tồn tại trong khí quyển. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, từ các hoạt động tự nhiên như phân hủy thực vật đến các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt của con người như đốt nhiên liệu, sử dụng dung môi. Bảng 1 trong tài liệu gốc cho thấy chi tiết các nguồn phát thải VOCs và tỷ lệ phát thải hàng năm. Các VOCs có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, đặc biệt là đối với trẻ em và người già. Các phương pháp xử lý VOCs hiện tại bao gồm hấp phụ, hấp thụ, đốt và lọc sinh học, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, xúc tác quang hóa đang thu hút sự quan tâm lớn vì tính hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Xúc tác quang hóa là quá trình sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học dưới tác dụng của ánh sáng. TiO2 là vật liệu xúc tác quang hóa phổ biến nhất do tính trơ hóa học, giá thành rẻ và hoạt tính cao. Hình 4 trong tài liệu gốc minh họa cơ chế xúc tác quang hóa của TiO2. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất có một số hạn chế, như khả năng hấp thụ ánh sáng kém và tốc độ tái hợp electron-lỗ trống nhanh, làm giảm hiệu quả xúc tác. Do đó, việc cải tiến TiO2 bằng cách sử dụng các nanoparticle kim loại và các chất nền như Zeolite là rất quan trọng.

Zeolite là vật liệu có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn, cung cấp nhiều vị trí hoạt động cho phản ứng xúc tác quang hóa. Cấu trúc Zeolite cho phép hấp phụ VOCs một cách hiệu quả, tăng nồng độ của chúng gần bề mặt TiO2, từ đó thúc đẩy quá trình phân hủy. Hình 9 trong tài liệu gốc minh họa cấu trúc không gian của Zeolite Y. Việc sử dụng Zeolite làm chất nền cho TiO2 giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa VOCs và chất xúc tác.

Nanoparticle kim loại, đặc biệt là vàng (Au), có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). SPR tạo ra các electron và lỗ trống có năng lượng cao, tăng cường quá trình xúc tác quang hóa. Hình 11 trong tài liệu gốc minh họa sự kích thích của SPR. Sự có mặt của nanoparticle kim loại giúp cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 và giảm thiểu sự tái hợp electron-lỗ trống.

TiO2 biến tính plasma là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2. Xử lý plasma có thể tạo ra các khuyết tật trên bề mặt TiO2, tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng hấp phụ VOCs. Ngoài ra, plasma có thể tạo ra các nhóm chức hydroxyl (-OH) trên bề mặt TiO2, tăng cường khả năng hấp phụ nước và cải thiện hiệu quả xúc tác trong điều kiện độ ẩm cao. Tài liệu gốc đã chứng minh rằng sự hiện diện của nhóm chức -OH trong mẫu TiO2 biến tính plasma giúp tăng cường hiệu quả loại bỏ toluene trong điều kiện độ ẩm thấp.

Phương pháp tẩm ướt là một quy trình đơn giản và hiệu quả để tổng hợp nanoparticle kim loại trên Zeolite-TiO2. Phương pháp này bao gồm việc tẩm Zeolite-TiO2 vào dung dịch chứa muối kim loại, sau đó sấy khô và nung để tạo thành nanoparticle kim loại. Việc kiểm soát nồng độ dung dịch muối kim loại, nhiệt độ sấy và nung là rất quan trọng để kiểm soát kích thước và sự phân tán của nanoparticle.

Phương pháp lắng đọng-kết tủa là một phương pháp khác để tổng hợp nanoparticle kim loại trên Zeolite-TiO2. Phương pháp này sử dụng chất kết tủa để tạo ra nanoparticle kim loại trực tiếp trên bề mặt Zeolite-TiO2. Phương pháp này cho phép tạo ra tương tác mạnh mẽ giữa kim loại và chất nền, cải thiện độ bền và hoạt tính của chất xúc tác.

Phương pháp khử hóa học sử dụng các chất khử để khử muối kim loại thành nanoparticle kim loại. Phương pháp này có thể được thực hiện trong dung dịch hoặc pha khí. Việc sử dụng các chất khử thân thiện với môi trường giúp tạo ra quy trình tổng hợp xanh, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Khí thải từ các nhà máy hóa chất, nhà máy in và các ngành công nghiệp khác thường chứa nồng độ cao của toluene và benzene, là những VOCs độc hại. Nanoparticle kim loại trên Zeolite-TiO2 có thể được sử dụng để phân hủy các VOCs này thành CO2 và H2O, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Không khí trong nhà có thể bị ô nhiễm bởi formaldehyde, một VOC phát ra từ đồ nội thất, vật liệu xây dựng và các sản phẩm gia dụng khác. TiO2 biến tính plasma và nanoparticle kim loại có thể được sử dụng trong các thiết bị lọc không khí để loại bỏ formaldehyde và các VOCs khác, cải thiện chất lượng không khí trong nhà.

Xúc tác quang hóa cũng có thể được sử dụng để xử lý nước ô nhiễm, phân hủy các hợp chất hữu cơ và các chất ô nhiễm khác. Nanoparticle kim loại trên Zeolite-TiO2 có thể được sử dụng để loại bỏ các VOCs và các chất ô nhiễm khác khỏi nước, làm cho nước an toàn hơn để sử dụng.

Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp là rất quan trọng để tạo ra các vật liệu xúc tác có cấu trúc và tính chất mong muốn. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc kiểm soát kích thước, hình dạng và sự phân tán của nanoparticle kim loại, cũng như điều chỉnh cấu trúc xốp của Zeolite.

Việc phát triển các vật liệu xúc tác có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời là một mục tiêu quan trọng để giảm chi phí năng lượng và tăng tính bền vững của quá trình xúc tác quang hóa. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc sử dụng các nanoparticle kim loại có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy.

Độ bền của chất xúc tác là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý lâu dài. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện độ bền của nanoparticle kim loại trên Zeolite-TiO2 và TiO2 biến tính plasma trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt.