TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG WO3/g-C3N4 ỨNG DỤNG PHÂN HUỶ CHẤT KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4, ứng dụng hiệu quả trong phân hủy chất kháng sinh trong môi trường nước. Giải pháp xử lý ô nhiễm.

• Tác giả: Diệp Thị Mỹ Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Diệu Cẩm
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Xúc Tác Quang WO3/g-C3N4 Ứng Dụng Phân Hủy Chất Kháng Sinh Trong Môi Trường Nước
• Loại tài liệu: Đề án thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang
• 2.2. Khái niệm xúc tác quang
• 2.3. Cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 2.4. Giới thiệu về vật liệu graphitic carbon nitride (g-C3N4). Đặc điểm cấu tạo
• 2.5. Phương pháp tổng hợp
• 2.6. Giới thiệu vật liệu Tungsten(VI) oxide
• 2.7. Cấu trúc của Tungsten(VI) oxide
• 2.8. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu WO3
• 2.9. Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4
• 2.10. Vật liệu xúc tác quang ứng dụng trong xử lý chất kháng sinh ở Việt Nam
• 2.11. Giới thiệu về kháng sinh tetracycline hydrochloride
• 2.12. Hóa chất và dụng cụ
• 2.13. Tổng hợp vật liệu quang xúc tác
• 2.14. Tổng hợp vật liệu g-C3N4
• 2.15. Tổng hợp vật liệu WO3
• 2.16. Tổng hợp vật liệu composite WO3/g-C3N4
• 2.17. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 2.17.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.17.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.17.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.17.4. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.17.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis/DR)
• 2.17.6. Phương pháp phổ quang phát quang (PL)
• 2.17.7. Phương pháp đo hấp phụ - khử hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET)
• 2.17.8. Phương pháp quang điện tử tia X (XPS)
• 2.18. Phân tích định lượng tetracycline hydrochloride
• 2.19. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ tetracycline hydrochloride
• 2.20. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổng hợp
• 2.20.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của TC
• 2.20.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp
• 2.20.3. Khảo sát ảnh hưởng của các chất dập tắt gốc tới quá trình quang phân hủy các chất hữu cơ trên các hệ vật liệu tổng hợp
• 2.20.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4
• 3.2. Vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4
• 3.3. Vật liệu xúc tác quang WC-1
• 3.4. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu lai ghép WO3/g-C3N4
• 3.5. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu
• 3.6. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân huỷ TC
• 3.7. Đánh giá động học của quá trình xúc tác quang
• 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu WC-1
• 3.9. Giải thích cơ chế quang xúc tác phân huỷ TC trên vật liệu WC-1
• 3.10. Tái sử dụng chất xúc tác
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Xúc Tác Quang WO3 g C3N4 là Gì

Xúc tác quang là một lĩnh vực khoa học liên ngành, kết hợp hóa học, sinh học và vật lý. Nó có nét tương đồng với quá trình quang hợp trong sinh học. Thuật ngữ này lần đầu tiên được Plotnikow đề cập vào năm 1910. Đến năm 1972, Fujishima và Honda đã tiến hành quá trình quang tách nước bằng điện cực bán dẫn TiO2, mở đầu cho nhiều nghiên cứu về xúc tác quang. Theo IUPAC, xúc tác quang là các phản ứng xảy ra với sự có mặt của chất bán dẫn và ánh sáng.

Xúc tác quang được định nghĩa là quá trình hóa học khi chất bán dẫn sử dụng ánh sáng khả kiến để kích hoạt phản ứng quang hóa, tăng tốc độ phản ứng. Dưới tác dụng của ánh sáng, chất bán dẫn tạo ra cặp electron – lỗ trống quang sinh và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ. Xúc tác quang là một trong những quá trình oxy hóa – khử nhờ ánh sáng. Chất xúc tác quang hiện nay được quan tâm là các chất bán dẫn tinh khiết hoặc pha tạp, hoặc lai ghép các cặp chất bán dẫn. Trong hơn hai mươi năm qua, vật liệu xúc tác quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong xử lý môi trường. Theo tài liệu gốc, xúc tác quang được xem là một trong những kỹ thuật hóa học xanh và triển vọng thay thế các phương pháp hóa học truyền thống. Điều này là do sử dụng trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời, phân hủy hoàn toàn hợp chất hữu cơ thành sản phẩm vô cơ đơn giản, khả năng tái sử dụng cao và chi phí thấp.

1.1. Định Nghĩa và Bản Chất Của Xúc Tác Quang

Xúc tác quang là quá trình hóa học xảy ra khi chất bán dẫn sử dụng ánh sáng khả kiến để kích hoạt quá trình quang hóa, từ đó tăng tốc độ phản ứng. Trong quá trình này, ánh sáng đóng vai trò kích hoạt chất xúc tác, giúp phản ứng xảy ra. Chất xúc tác quang thường là các chất bán dẫn tinh khiết, pha tạp hoặc lai ghép. Dưới sự kích thích của ánh sáng, chất bán dẫn tạo ra các cặp electron - lỗ trống quang sinh, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ. Xúc tác quang là một trong những quá trình oxy hóa - khử quan trọng, sử dụng tác nhân ánh sáng để thực hiện phản ứng. Đây là một lĩnh vực liên ngành, kết hợp kiến thức từ hóa học, vật lý và sinh học.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Phương Pháp Xúc Tác Quang

Phương pháp xúc tác quang có nhiều ưu điểm so với các phương pháp xử lý ô nhiễm truyền thống. Đầu tiên, nó sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng vô hạn là ánh sáng mặt trời để kích hoạt phản ứng xúc tác. Thứ hai, nó có khả năng phân hủy hoàn toàn hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ đơn giản, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp. Thứ ba, chất xúc tác có khả năng tái sử dụng cao, giúp giảm chi phí vận hành. Cuối cùng, chi phí đầu tư và vận hành của phương pháp này thường thấp hơn so với các phương pháp khác. Những ưu điểm này khiến xúc tác quang trở thành một kỹ thuật hóa học xanh và đầy triển vọng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

II. Cơ Chế Phản Ứng Xúc Tác Quang Với Vật Liệu WO3 g C3N4

Theo lý thuyết vùng, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn. Cấu trúc của vật chất gồm một vùng chứa các orbital phân tử đã được lấp đầy electron, gọi là vùng hóa trị (VB), và một vùng chứa các orbital phân tử còn trống electron, gọi là vùng dẫn (CB). Năng lượng tối thiểu cần thiết để kích thích một điện tử từ VB lên CB gọi là năng lượng vùng cấm (Eg). Khi chất bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg, một điện tử sẽ nhảy từ VB lên CB, tạo ra một lỗ trống dương (h+) trong VB và một điện tử dẫn (e-) trong CB.

Các electron và lỗ trống này có thể di chuyển đến bề mặt của chất bán dẫn và tham gia vào các phản ứng oxy hóa - khử với các chất bị hấp phụ. Lỗ trống có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ hoặc nước, tạo ra các gốc tự do như •OH, có khả năng phân hủy mạnh mẽ các chất ô nhiễm. Electron có khả năng khử oxy hòa tan, tạo ra các gốc superoxide •O2-. Theo tài liệu gốc, sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống là một quá trình cạnh tranh làm giảm hiệu suất xúc tác quang. Do đó, việc thiết kế các vật liệu xúc tác có khả năng ức chế tái tổ hợp là rất quan trọng.

2.1. Vùng Năng Lượng và Vai Trò Của Vùng Hóa Trị Vùng Dẫn

Vùng năng lượng của chất bán dẫn là một khái niệm quan trọng trong xúc tác quang. Vùng hóa trị (VB) là vùng chứa các orbital phân tử đã được lấp đầy electron, trong khi vùng dẫn (CB) là vùng chứa các orbital phân tử còn trống electron. Năng lượng vùng cấm (Eg) là năng lượng tối thiểu cần thiết để kích thích một electron từ VB lên CB. Khi chất bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg, một electron sẽ nhảy từ VB lên CB, tạo ra một lỗ trống dương (h+) trong VB và một electron dẫn (e-) trong CB. Các electron và lỗ trống này đóng vai trò trung tâm trong các phản ứng oxy hóa - khử.

2.2. Quá Trình Oxy Hóa Khử và Vai Trò Của Gốc Tự Do

Các electron và lỗ trống tạo ra trong quá trình kích thích quang có thể di chuyển đến bề mặt của chất bán dẫn và tham gia vào các phản ứng oxy hóa - khử với các chất bị hấp phụ. Lỗ trống có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ hoặc nước, tạo ra các gốc tự do như •OH. Gốc •OH là tác nhân oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy mạnh mẽ các chất ô nhiễm. Electron có khả năng khử oxy hòa tan, tạo ra các gốc superoxide •O2-. Cả •OH và •O2- đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm bằng xúc tác quang.

2.3. Tái Tổ Hợp Electron và Lỗ Trống và Cách Khắc Phục

Sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống là một quá trình cạnh tranh làm giảm hiệu suất xúc tác quang. Khi electron và lỗ trống tái tổ hợp, năng lượng sẽ bị mất đi dưới dạng nhiệt hoặc phát quang, thay vì được sử dụng để thực hiện các phản ứng oxy hóa - khử. Do đó, việc thiết kế các vật liệu xúc tác có khả năng ức chế tái tổ hợp là rất quan trọng. Các phương pháp ức chế tái tổ hợp bao gồm: pha tạp chất, tạo cấu trúc nano, và tạo hệ dị thể. Trong trường hợp vật liệu WO3/g-C3N4, việc tạo hệ dị thể giúp tăng cường phân tách điện tử và lỗ trống, giảm thiểu tái tổ hợp và nâng cao hiệu suất xúc tác quang.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Xúc Tác Quang WO3 g C3N4 Hiệu Quả

Tổng hợp vật liệu WO3/g-C3N4 có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp thủy nhiệt, phương pháp nhiệt pha rắn và phương pháp sol-gel.

Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tổng hợp WO3 với kích thước và hình thái kiểm soát được. Phương pháp nhiệt pha rắn thường được sử dụng để tổng hợp g-C3N4 từ các tiền chất như urea, melamine hoặc dicyandiamide. Để tổng hợp vật liệu composite WO3/g-C3N4, người ta có thể sử dụng phương pháp trộn cơ học hoặc phương pháp đồng kết tủa. Trong phương pháp trộn cơ học, WO3 và g-C3N4 được trộn lẫn với nhau bằng máy nghiền bi hoặc máy khuấy từ. Trong phương pháp đồng kết tủa, các tiền chất của WO3 và g-C3N4 được hòa tan trong dung môi, sau đó kết tủa đồng thời bằng cách thay đổi pH hoặc nhiệt độ. Theo tài liệu gốc, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính chất và hiệu suất xúc tác của vật liệu WO3/g-C3N4.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Vật Liệu WO3 Bằng Phương Pháp Thủy Nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp WO3 với kích thước và hình thái kiểm soát được. Trong quá trình này, tiền chất của WO3 được hòa tan trong dung môi, sau đó đưa vào một bình kín và gia nhiệt ở nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định. Áp suất cao bên trong bình giúp tăng cường quá trình hòa tan và kết tinh của WO3. Sau khi kết thúc phản ứng, WO3 được thu hồi bằng cách ly tâm hoặc lọc, sau đó rửa sạch và sấy khô. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ tiền chất và loại dung môi có ảnh hưởng lớn đến kích thước, hình thái và tính chất của WO3.

3.2. Tổng Hợp Vật Liệu g C3N4 Bằng Phương Pháp Nhiệt Pha Rắn

Phương pháp nhiệt pha rắn là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp g-C3N4 từ các tiền chất như urea, melamine hoặc dicyandiamide. Trong quá trình này, tiền chất được nung nóng trong không khí hoặc khí trơ ở nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định. Quá trình nhiệt phân sẽ tạo ra g-C3N4 với cấu trúc lớp tương tự graphene. Sau khi kết thúc phản ứng, g-C3N4 được thu hồi bằng cách nghiền và rửa sạch. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, tốc độ gia nhiệt và loại tiền chất có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, diện tích bề mặt và tính chất quang của g-C3N4.

3.3. Phương Pháp Đồng Kết Tủa Tạo Vật Liệu WO3 g C3N4 Composite

Để tổng hợp vật liệu composite WO3/g-C3N4, phương pháp đồng kết tủa là một lựa chọn hiệu quả. Trong phương pháp này, các tiền chất của WO3 và g-C3N4 được hòa tan trong dung môi, sau đó kết tủa đồng thời bằng cách thay đổi pH hoặc nhiệt độ. Quá trình kết tủa đồng thời giúp WO3 phân tán đều trên bề mặt của g-C3N4, tạo ra vật liệu composite với hiệu suất xúc tác cao. Sau khi kết thúc phản ứng, vật liệu composite được thu hồi bằng cách ly tâm hoặc lọc, sau đó rửa sạch và sấy khô. Tỷ lệ WO3/g-C3N4, pH, nhiệt độ và loại dung môi là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu composite.

IV. Ứng Dụng Vật Liệu WO3 g C3N4 Phân Hủy Kháng Sinh Tetracycline

Vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 thể hiện tiềm năng lớn trong việc phân hủy các chất kháng sinh trong nước, đặc biệt là tetracycline. Hiệu quả phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ WO3/g-C3N4, cường độ ánh sáng, pH môi trường và nồng độ kháng sinh.

Theo nghiên cứu, cơ chế phân hủy tetracycline trên vật liệu WO3/g-C3N4 diễn ra thông qua quá trình oxy hóa khử, trong đó các gốc tự do như •OH và •O2- đóng vai trò quan trọng. Các gốc tự do này tấn công và phá vỡ cấu trúc phân tử của tetracycline, biến chúng thành các sản phẩm vô hại. Bên cạnh đó, sự tái sử dụng chất xúc tác cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét để đánh giá tính khả thi của vật liệu trong ứng dụng thực tế. Kết quả cho thấy vật liệu WO3/g-C3N4 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả phân hủy. Theo tài liệu gốc, vật liệu WO3/g-C3N4 được kỳ vọng sẽ đóng góp vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước.

4.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Phân Hủy Tetracycline

Hiệu quả phân hủy tetracycline bằng vật liệu WO3/g-C3N4 phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tỷ lệ WO3/g-C3N4 đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tử - lỗ trống. Cường độ ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ tạo thành các gốc tự do. pH môi trường ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu và sự tồn tại của tetracycline. Nồng độ kháng sinh cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả phân hủy cao nhất. Việc nghiên cứu và kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả phân hủy tối ưu.

4.2. Cơ Chế Phân Hủy Tetracycline Trên Vật Liệu WO3 g C3N4

Cơ chế phân hủy tetracycline trên vật liệu WO3/g-C3N4 diễn ra thông qua quá trình oxy hóa khử. Khi vật liệu được chiếu sáng, các electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các lỗ trống dương và electron tự do. Các lỗ trống dương có khả năng oxy hóa nước tạo thành gốc •OH, trong khi electron tự do có khả năng khử oxy hòa tan tạo thành gốc •O2-. Các gốc tự do này tấn công và phá vỡ cấu trúc phân tử của tetracycline, biến chúng thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Quá trình này giúp loại bỏ tetracycline khỏi môi trường nước.

4.3. Khả Năng Tái Sử Dụng Của Vật Liệu WO3 g C3N4 Trong Thực Tế

Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi đánh giá tính khả thi của vật liệu xúc tác trong ứng dụng thực tế. Nghiên cứu cho thấy vật liệu WO3/g-C3N4 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả phân hủy tetracycline. Điều này là do vật liệu có độ bền hóa học cao và ít bị biến đổi cấu trúc trong quá trình phản ứng. Tuy nhiên, cần có các biện pháp xử lý và bảo quản phù hợp để đảm bảo vật liệu luôn giữ được hoạt tính xúc tác cao. Việc tái sử dụng vật liệu không chỉ giúp giảm chi phí mà còn thân thiện với môi trường.

V. Đánh Giá Đặc Tính Quang Xúc Tác Vật Liệu WO3 g C3N4

Đánh giá đặc tính quang xúc tác của vật liệu WO3/g-C3N4 là quá trình quan trọng để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm phổ UV-Vis, phổ phát quang (PL), và đo diện tích bề mặt BET.

Phổ UV-Vis giúp xác định vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Phổ PL cung cấp thông tin về quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống, ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác. Đo diện tích bề mặt BET cho biết khả năng hấp phụ chất ô nhiễm của vật liệu. Kết quả đánh giá này cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu WO3/g-C3N4 trong xử lý nước ô nhiễm. Theo tài liệu gốc, các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu WO3/g-C3N4 có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính quang xúc tác của nó.

5.1. Phân Tích Phổ UV Vis Xác Định Vùng Hấp Thụ Ánh Sáng Khả Kiến

Phân tích phổ UV-Vis là một phương pháp quan trọng để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Thông qua phổ UV-Vis, có thể xác định được vùng hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Vật liệu WO3/g-C3N4 lý tưởng sẽ có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt, giúp tăng hiệu quả xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời. Dữ liệu từ phổ UV-Vis cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh quá trình tổng hợp vật liệu, nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng.

5.2. Phổ Phát Quang PL Đánh Giá Quá Trình Tái Tổ Hợp Electron Lỗ Trống

Phổ phát quang (PL) là một phương pháp nhạy cảm để đánh giá quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống trong vật liệu xúc tác quang. Cường độ phát quang càng thấp, chứng tỏ quá trình tái tổ hợp electron-lỗ trống càng ít, dẫn đến hiệu suất xúc tác càng cao. Phổ PL cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc điện tử của vật liệu và quá trình chuyển electron. Thông tin này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu và tìm cách giảm thiểu quá trình tái tổ hợp.

5.3. Đo Diện Tích Bề Mặt BET Đánh Giá Khả Năng Hấp Phụ

Diện tích bề mặt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng xúc tác của vật liệu. Phương pháp BET được sử dụng để đo diện tích bề mặt của vật liệu WO3/g-C3N4. Diện tích bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ chất ô nhiễm càng cao, dẫn đến hiệu suất xúc tác càng tốt. Kết quả đo BET cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh quá trình tổng hợp vật liệu, nhằm tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng hấp phụ chất ô nhiễm.

VI. Triển Vọng Và Hướng Phát Triển Vật Liệu WO3 g C3N4 Tương Lai

Vật liệu WO3/g-C3N4 mở ra triển vọng lớn trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là phân hủy kháng sinh. Nghiên cứu trong tương lai tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, tăng cường hiệu quả xúc tác dưới ánh sáng mặt trời và mở rộng phạm vi ứng dụng.

Việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải tích hợp sử dụng vật liệu WO3/g-C3N4 là một hướng đi tiềm năng. Bên cạnh đó, cần có các nghiên cứu sâu hơn về độc tính và ảnh hưởng của vật liệu đến môi trường, đảm bảo an toàn khi ứng dụng thực tế. Theo tài liệu gốc, vật liệu WO3/g-C3N4 hứa hẹn sẽ đóng góp vào việc xây dựng một môi trường sống xanh và bền vững.

6.1. Tối Ưu Cấu Trúc Nano và Tăng Cường Hiệu Quả Xúc Tác Quang

Nghiên cứu trong tương lai tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc nano của vật liệu WO3/g-C3N4. Việc điều chỉnh kích thước, hình thái và thành phần của vật liệu có thể giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, phân tách điện tử-lỗ trống và hiệu quả xúc tác. Các kỹ thuật tiên tiến như tự lắp ráp, khắc plasma và in 3D có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp với hiệu suất xúc tác vượt trội.

6.2. Phát Triển Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Tích Hợp Với WO3 g C3N4

Phát triển các hệ thống xử lý nước thải tích hợp sử dụng vật liệu WO3/g-C3N4 là một hướng đi tiềm năng. Hệ thống này có thể kết hợp các phương pháp xử lý khác nhau như lọc, hấp phụ và xúc tác quang để loại bỏ đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm. Việc tích hợp vật liệu WO3/g-C3N4 vào các hệ thống xử lý nước thải hiện có có thể giúp nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

6.3. Nghiên Cứu Độc Tính và Ảnh Hưởng Đến Môi Trường Đảm Bảo An Toàn

Trước khi ứng dụng rộng rãi vật liệu WO3/g-C3N4, cần có các nghiên cứu sâu hơn về độc tính và ảnh hưởng của vật liệu đến môi trường. Cần đánh giá khả năng tích lũy sinh học, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Kết quả nghiên cứu này sẽ giúp đảm bảo an toàn khi ứng dụng thực tế và phát triển các quy trình xử lý phù hợp để loại bỏ vật liệu sau khi sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước bởi các chất kháng sinh, đặc biệt là tetracycline hydrochloride (TC), đang trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu do tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, nồng độ kháng sinh trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp có thể dao động từ vài microgam đến hàng chục miligam trên lít, gây ra sự kháng thuốc và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả để phân hủy các chất kháng sinh này trong môi trường nước là mục tiêu cấp thiết của nhiều nghiên cứu hiện nay.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 ứng dụng trong phân hủy chất kháng sinh tetracycline hydrochloride trong môi trường nước. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp vật liệu composite WO3/g-C3N4 có năng lượng vùng cấm hẹp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác như pH môi trường và sự có mặt của các chất dập tắt gốc tự do. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với thời gian thực hiện trong năm 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, đồng thời mang ý nghĩa thực tiễn lớn trong xử lý ô nhiễm nước do các chất kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu suất phân hủy TC được đánh giá qua các phương pháp quang phổ, với hiệu suất phân hủy đạt trên 90% trong điều kiện tối ưu, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết xúc tác quang dị thể, trong đó chất bán dẫn hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), tạo ra cặp electron-lỗ trống quang sinh. Các electron và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu, tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử, sinh ra các gốc tự do như •OH và •O2-, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như kháng sinh tetracycline.

Hai lý thuyết chính được áp dụng là:

1. Lý thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn: Mô tả cấu trúc vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của vật liệu, với khoảng cách năng lượng vùng cấm Eg quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính xúc tác quang.

2. Mô hình hệ lai ghép dạng Z: Hệ WO3/g-C3N4 được thiết kế theo mô hình Z, trong đó electron từ vùng dẫn của WO3 chuyển sang vùng hóa trị của g-C3N4, hạn chế sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các điện tử quang sinh, nâng cao hiệu suất xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng vùng cấm (Eg), electron quang sinh, lỗ trống quang sinh, gốc hydroxyl (•OH), gốc superoxide (•O2-), và hiệu suất phân hủy quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu xúc tác quang WO3, g-C3N4 và composite WO3/g-C3N4 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Phương pháp tổng hợp bao gồm:

• Tổng hợp WO3 bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng Na2WO4.2H2O làm tiền chất, điều chỉnh pH bằng HCl, xử lý ở 120°C trong 12 giờ, sau đó nung ở 500°C.

• Tổng hợp g-C3N4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn từ urea, nung ở 530°C trong 2 giờ.

• Tổng hợp composite WO3/g-C3N4 bằng phương pháp nhiệt pha rắn, trộn hỗn hợp WO3 và g-C3N4 theo tỷ lệ mol khác nhau, siêu âm phân tán, nung ở 530°C trong điều kiện yếm khí.

Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (IR) xác định nhóm chức; hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố; phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis DRS) xác định vùng hấp thụ và năng lượng vùng cấm; phổ quang phát quang (PL) đánh giá khả năng tái tổ hợp điện tử-lỗ trống; đo hấp phụ - khử hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET) xác định diện tích bề mặt và kích thước mao quản; phổ quang điện tử tia X (XPS) phân tích trạng thái hóa học bề mặt.

Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua phản ứng phân hủy tetracycline hydrochloride trong dung dịch nước dưới chiếu sáng đèn LED 30 W, đo nồng độ TC còn lại bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 355 nm. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ, và các chất dập tắt gốc tự do cũng được tiến hành để làm rõ cơ chế phân hủy.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu vật liệu với tỷ lệ WO3/g-C3N4 khác nhau (0,5/1; 1/1; 1,5/1; 2/1), được lựa chọn dựa trên hiệu suất phân hủy TC tối ưu. Phân tích số liệu sử dụng mô hình động học Langmuir-Hinshelwood để xác định hằng số tốc độ phân hủy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu WO3/g-C3N4: Kết quả XRD cho thấy vật liệu composite duy trì cấu trúc tinh thể của cả WO3 và g-C3N4, không xuất hiện pha tạp. Phổ UV-Vis DRS xác định năng lượng vùng cấm của composite giảm xuống khoảng 2,6 eV, thấp hơn so với WO3 (2,8 eV) và g-C3N4 (2,7 eV), cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được cải thiện. Diện tích bề mặt BET của composite đạt khoảng 45 m²/g, lớn hơn so với các vật liệu đơn lẻ.

2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy TC: Vật liệu composite WO3/g-C3N4 với tỷ lệ mol 1/1 (WC-1) đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng, cao hơn 1,8 lần so với g-C3N4 và 2,3 lần so với WO3 riêng lẻ. Hằng số tốc độ phân hủy k của WC-1 đạt 0,015 min⁻¹, vượt trội so với các mẫu khác.

3. Ảnh hưởng của pH môi trường: Hiệu suất phân hủy TC trên WC-1 đạt cao nhất ở pH khoảng 6, giảm đáng kể khi pH < 4 hoặc pH > 8. Điều này liên quan đến dạng ion hóa của TC và điểm đẳng điện của vật liệu (pH ~ 5,8), ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và tương tác bề mặt.

4. Cơ chế phân hủy và vai trò các gốc tự do: Thí nghiệm sử dụng các chất dập tắt gốc tự do cho thấy gốc hydroxyl (•OH) và gốc superoxide (•O2-) đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy TC. Sự chuyển dịch electron từ vùng dẫn của WO3 sang vùng hóa trị của g-C3N4 theo mô hình hệ Z làm giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các điện tử quang sinh, nâng cao hiệu quả xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất phân hủy TC cao của vật liệu composite WO3/g-C3N4 so với các vật liệu đơn lẻ được giải thích bởi sự kết hợp ưu việt của hai chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp, tạo thành hệ lai ghép dạng Z với khả năng phân tách điện tử hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite tương tự, đồng thời khắc phục nhược điểm tái tổ hợp nhanh của các vật liệu bán dẫn truyền thống như TiO2.

Biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ TC theo thời gian chiếu sáng minh họa rõ ràng hiệu quả xúc tác vượt trội của WC-1. Bảng so sánh hằng số tốc độ phân hủy giữa các mẫu cũng cho thấy sự ưu việt của vật liệu composite.

Ảnh hưởng của pH được lý giải dựa trên đặc tính ion hóa của TC và điểm đẳng điện của vật liệu, ảnh hưởng đến hấp phụ và tương tác bề mặt, từ đó tác động đến hiệu suất phân hủy. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về phân hủy các hợp chất hữu cơ khác trên vật liệu g-C3N4 và WO3.

Cơ chế phân hủy dựa trên sự sinh ra các gốc tự do mạnh như •OH và •O2- được xác nhận qua thí nghiệm dập tắt gốc, phù hợp với lý thuyết xúc tác quang và các nghiên cứu trước đây. Việc hạn chế tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ mô hình hệ Z là yếu tố then chốt nâng cao hiệu quả xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần vật liệu: Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ mol WO3/g-C3N4 để đạt hiệu suất phân hủy tối ưu, tập trung vào khoảng tỷ lệ 0,8-1,2 trong vòng 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu thực hiện.

2. Nâng cao diện tích bề mặt vật liệu: Áp dụng các kỹ thuật tổng hợp mới như tạo cấu trúc nano mao quản hoặc sử dụng giá thể hỗ trợ để tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

3. Khảo sát ứng dụng thực tế: Thử nghiệm vật liệu trong xử lý nước thải thực tế tại các khu công nghiệp hoặc trang trại chăn nuôi có ô nhiễm kháng sinh, đánh giá hiệu quả và độ bền vật liệu trong điều kiện môi trường phức tạp, thực hiện trong 18 tháng.

4. Phát triển hệ vật liệu lai ghép đa chức năng: Nghiên cứu kết hợp WO3/g-C3N4 với các vật liệu khác như graphene oxide hoặc các kim loại quý để tăng cường khả năng chuyển điện tử và tái sử dụng, hướng đến ứng dụng công nghiệp, thời gian nghiên cứu dự kiến 2 năm.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm kháng sinh trong nước, giảm thiểu tác động môi trường và tăng tính khả thi ứng dụng công nghệ xúc tác quang trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác quang, phương pháp phân tích hiện đại, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác quang.

2. Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu quả phân hủy kháng sinh bằng vật liệu composite WO3/g-C3N4 hỗ trợ thiết kế các hệ thống xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và công nghệ xử lý nước: Cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm giúp phát triển sản phẩm mới, cải tiến công nghệ xử lý ô nhiễm nước, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp bằng chứng khoa học về hiệu quả công nghệ xử lý ô nhiễm kháng sinh, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy chuẩn môi trường phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu WO3/g-C3N4 có ưu điểm gì so với các vật liệu xúc tác quang truyền thống?
   Vật liệu composite WO3/g-C3N4 có năng lượng vùng cấm hẹp (~2,6 eV), hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy, hạn chế tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ mô hình hệ Z, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ bền vững như kháng sinh.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có phức tạp và tốn kém không?
   Phương pháp tổng hợp sử dụng các kỹ thuật nhiệt pha rắn và thủy nhiệt đơn giản, nguyên liệu phổ biến, chi phí hợp lý, phù hợp cho quy mô phòng thí nghiệm và có tiềm năng mở rộng công nghiệp.

3. Hiệu suất phân hủy tetracycline đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Vật liệu composite WO3/g-C3N4 với tỷ lệ mol 1/1 đạt hiệu suất phân hủy TC lên đến 92% sau 180 phút chiếu sáng đèn LED 30 W trong điều kiện phòng thí nghiệm.

4. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác như thế nào?
   Hiệu suất phân hủy TC cao nhất ở pH khoảng 6, giảm khi pH quá thấp hoặc quá cao do ảnh hưởng đến dạng ion hóa của TC và tương tác bề mặt vật liệu, điều này cần được cân nhắc khi ứng dụng thực tế.

5. Vật liệu có khả năng tái sử dụng và bền vững không?
   Nghiên cứu cho thấy vật liệu composite có khả năng tái sử dụng tốt, hiệu suất phân hủy chỉ giảm nhẹ sau 4 lần sử dụng liên tiếp, cho thấy tính ổn định và bền vững trong ứng dụng xử lý nước.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 với năng lượng vùng cấm hẹp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng nhìn thấy.
• Vật liệu composite thể hiện hiệu suất phân hủy tetracycline hydrochloride đạt trên 90% trong 180 phút chiếu sáng, vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ.
• Ảnh hưởng của pH và các chất dập tắt gốc tự do được khảo sát, làm rõ cơ chế phân hủy dựa trên mô hình hệ Z và vai trò của các gốc hydroxyl, superoxide.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang thế hệ mới, có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước do kháng sinh.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thành phần vật liệu, nâng cao diện tích bề mặt, thử nghiệm thực tế và phát triển hệ vật liệu đa chức năng.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai các đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng công nghệ trong quy mô lớn. Độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm từ kết quả này để góp phần bảo vệ môi trường nước bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, việc sử dụng vật liệu xúc tác quang để phân hủy các chất kháng sinh trong nƣớc đang là một hƣớng nghiên cứu đầy tiềm năng nhằm loại bỏ triệt để các chất kháng sinh tồn dƣ ra khỏi môi trƣờng nƣớc đang bị ô nhiễm. Nhiều vật liệu đã đƣợc nghiên cứu, ứng dụng thành công để tổng hợp chất xúc tác quang cho phản ứng phân hủy các chất hữu cơ nói chung và chất kháng sinh nói riêng nhƣ: TiO2, ZnO, SnO2, Ta2O5…1-4 Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các vật liệu này là năng lƣợng vùng cấm rộng (Eg ≥ 3,0 eV) và sự tái tổ hợp nhanh của các electron và lỗ trống quang sinh dẫn đến hiệu suất của các quá trình xúc tác quang không thực sự cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Để cải thiện các nhƣợc điểm này, nhiều nghiên cứu gần đây trên thế giới chủ yếu tập trung phát triển các hệ vật liệu quang xúc tác thế hệ mới sử dụng các chất bán dẫn có năng lƣợng vùng cấm trong khoảng 1,8 – 2,8 eV.

Đây là những chất bán dẫn có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng trong vùng nhìn thấy, do vậy khi sử dụng cho quá trình quang xúc tác thì không cần phải biến tính để giảm năng lƣợng vùng cấm nữa. Tuy nhiên, những chất có năng lƣợng vùng cấm càng hẹp thì tốc độ tái tổ hợp của các electron và lỗ trống quang sinh càng nhanh, dẫn đến hoạt tính xúc tác của vật liệu là không cao. Thêm nữa, giá trị thế năng vùng dẫn và vùng hoá trị của các chất bán dẫn đó thƣờng không đồng thời phù hợp để tham gia cả phản ứng oxy hoá nƣớc ở vùng hóa trị và khử oxygen ở vùng dẫn để tạo ra các gốc • OH và •O2-, là các tác nhân chính tham gia quá trình phân huỷ các chất kháng sinh ô nhiễm trong nƣớc. Các nhƣợc điểm nêu trên của các vật liệu bán dẫn có năng lƣợng vùng cấm hẹp có thể đƣợc loại bỏ gần nhƣ hoàn toàn bằng cách kết hợp hai vật liệu xúc tác có năng lƣợng vùng cấm hẹp để thiết lập một hệ xúc tác quang liên hợp thế hệ mới dạng Z.

So với hệ lai ghép dị thể thông thƣờng thì hệ lai ghép thế hệ mới dạng Z có hiệu suất phân tách điện tử cao hơn trong khi vẫn giữ đƣợc hoạt tính oxy hoá/khử mạnh do có sự chuyển điện tử từ vùng dẫn của chất bán dẫn này sang vùng hoá trị của chất bán dẫn kia, do đó hạn chế sự tái tổ hợp giữa các electron và lỗ trống trong vật liệu lai ghép. 2 Graphitic carbon nitride (g-C3N4) một dạng chất bán dẫn polymer hữu cơ không kim loại, có cấu trúc lớp nhƣ graphene, diện tích bề mặt cao, hình thái độc đáo, có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang nhờ năng lƣợng vùng cấm hẹp (khoảng 2,7 eV).5 g-C3N4 có thế ở vùng dẫn âm hơn so với thế khử của oxygen nên phù hợp cho quá trình khử oxygen thành ·O2-. Đây là tác nhân trung gian tạo gốc HO• để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có tốc độ tái kết hợp cặp lỗ trống (h+) và điện tử quang sinh (e-) khá nhanh, dẫn đến hiệu quả quang xúc tác không cao.

Để khắc phục nhƣợc điểm này phƣơng pháp pha tạp g-C3N4 với các vật liệu bán dẫn khác nhƣ: TiO2, BiVO4, WO3, Ag3PO4,… đã đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu.6-9 Kết quả công bố cho thấy, những vật liệu bán dẫn này khi đƣợc ghép với g-C3N4 có khả năng quang xúc tác vƣợt trội hơn so với hợp phần g-C3N4 cũng nhƣ các chất bán dẫn riêng lẻ. Bên cạnh đó, trong số các chất bán dẫn thế hệ mới chứa tungsten thì WO3 đang đƣợc đánh giá là vật liệu xúc tác quang lý tƣởng để tận dụng nguồn năng lƣợng ánh sáng mặt trời một cách tối ƣu vì WO3 có năng lƣợng vùng cấm khoảng 2,8 eV và thế năng vùng hoá trị là 3,52 eV.10, 11 Hơn thế nữa, thế năng vùng dẫn của hợp chất này (0,74 eV) ít dƣơng hơn so với thế năng vùng hoá trị của g-C3N4 nên phù hợp để tạo ra hệ lai ghép liên hợp dạng Z (WO 3/g-C3N4). Với năng lƣợng vùng cấm hẹp, cả g-C3N4 và WO3 đều có khả năng tạo ra electron quang sinh tại vùng dẫn và lỗ trống quang sinh tại vùng hoá trị khi bị kích thích bởi ánh sáng ở vùng nhìn thấy. Do thế năng ở vùng dẫn của WO3 thấp hơn so với thế năng ở vùng hoá trị của g-C3N4, nên các electron sinh ra trên vùng dẫn của WO3 sẽ dễ dàng chuyển dịch sang vùng hoá trị của g-C3N4, do đó hạn chế đƣợc sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống quang sinh tạo ra bởi g- C3N4 và WO3.

Nói cách khác, thời gian sống của các electron và lỗ trống quang sinh trong hệ vật liệu tăng lên, giúp nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Có thể thấy hệ vật liệu lai ghép WO3/g-C3N4 vừa có thế khử vùng dẫn phù hợp (âm hơn thế khử của cặp O2/O2•)(0,02eV) để có thể tham gia vào quá trình khử O2 tạo thành gốc •O2-, vừa có thế oxy hoá vùng hoá trị phù hợp (dƣơng hơn thế oxy hoá của cặp H2O/•OH) để có thể tham gia vào quá trình oxy hoá H2O tạo thành •OH. 3 Định hƣớng của đề tài là tập trung nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu quang xúc tác lai ghép liên hợp WO3/g-C3N4 nhằm tạo ra một hệ vật liệu quang xúc tác có hiệu quả ƣu việt đối với quá trình phân huỷ các chất hữu cơ bền vững trong môi trƣờng ngay ở điều kiện ánh sáng nhìn thấy. Đặc biệt, theo chúng tôi đƣợc biết, hiện chƣa có công bố nào trong và ngoài nƣớc liên quan tới việc tổng hợp hệ vật liệu WO3/g-C3N4 ứng dụng trong xử lý chất kháng sinh ô nhiễm trong môi trƣờng nƣớc.

Từ những cơ sở khoa học trên và xuất phát từ thực tiễn, chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 ứng dụng phân huỷ chất kháng sinh trong môi trƣờng nƣớc”. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 có hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu thông qua phản ứng phân hủy chất kháng sinh trong môi trƣờng nƣớc. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.

Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 có năng lƣợng vùng cấm hẹp và hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất kháng sinh trong vùng ánh sáng nhìn thấy. - Chất kháng sinh tetracycline có trong môi trƣờng nƣớc. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang WO3/g-C3N4 quy mô phòng thí nghiệm. - Đánh giá hoạt tính xúc tác của các vật liệu xúc tác quang lai ghép tổng hợp đƣợc thông qua phản ứng phân hủy chất kháng sinh trong dung dịch nƣớc với nguồn sáng kích thích là đèn Led quy mô phòng thí nghiệm.

Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu WO3; - Tổng hợp và đặc trƣng vật liệu g-C3N4; - Tổng hợp và đặc trƣng WO3/g-C3N4; - Khảo sát một số các yếu tố thực nghiệm tổng hợp ảnh hƣởng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu; - Khảo sát khả năng xúc tác quang của các vật liệu tổng hợp đƣợc thông qua phản ứng phân hủy tetracycline trong dung dịch nƣớc; - Khảo sát sự ảnh hƣởng của pH môi trƣờng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu; - Khảo sát sự ảnh hƣởng của chất dập tắt gốc tự do đến hiệu quả quang xúc tác trên vật liệu lai ghép. Phƣơng pháp luận và phƣơng pháp nghiên cứu 5. Phương pháp luận - Sử dụng phƣơng pháp tổng hợp tài liệu. - Ứng dụng các lý thuyết xúc tác có trong thực nghiệm.

- Sử dụng các công cụ toán học để xử lý số liệu thực nghiệm và tối ƣu hóa các điều kiện thƣc nghiệm. Phương pháp nghiên cứu 5. Phương pháp tổng hợp vật liệu - Tổng hợp vật liệu WO3 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. - Tổng hợp vật liệu g-C3N4 bằng phƣơng pháp nhiệt pha rắn từ urea.

- Tổng hợp vật liệu WO3/g-C3N4 bằng phƣơng pháp nhiệt pha rắn. Phương pháp đặc trưng xác định tính chất vật liệu - Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán, tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS): nhằm xác định vùng hấp thụ bức xạ và năng lƣợng vùng cấm của vật liệu. 5 - Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD): nhằm xác định cấu trúc của vật liệu. - Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM): nhằm xác định hình thái bề mặt ngoài của vật liệu.

- Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR): xác định các liên kết hóa học đặc trƣng của vật liệu tổng hợp đƣợc. - Phƣơng pháp quang điện tử tia X (XPS): xác định định tính thành phần nguyên tố, trạng thái hóa học và trạng thái electron của các nguyên tố trong vật liệu. - Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX): xác định thành phần các nguyên tố hoá học của vật liệu. - Phƣơng pháp phổ quang phát quang (PL): để xác định khả năng tái tổ hợp giữa các điện tử và lỗ trống quang sinh đối với các vật liệu tổng hợp đƣợc.

- Phƣơng pháp hấp phụ và giải hấp phụ nitrogen kết hợp với phƣơng trình đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller (BET): để xác định diện tích bề mặt, kích thƣớc mao quản của vật liệu tổng hợp. Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổng hợp được Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu xúc tác quang tổng hợp đƣợc thông qua phản ứng phân hủy các chất kháng sinh trong dung dịch nƣớc và hàm lƣợng chất kháng sinh còn lại đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo quang. Số liệu thực nghiệm đƣợc xử lý bằng các phƣơng pháp phù hợp từ đó rút ra mối quan hệ giữa điều kiện thí nghiệm và tính chất vật liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài về các vật liệu WO3, g-C3N4 và WO3/g- C3N4 là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ngƣời nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác.

- Ý nghĩa thực tiễn: 6 Kết quả của nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm về các loại vật liệu xúc tác quang đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đó, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào thực tế để xử lý chất kháng sinh làm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc. 7 NỘI DUNG Chƣơng 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang 1.

Khái niệm xúc tác quang Xúc tác quang là lĩnh vực khoa học liên ngành có nguồn gốc từ sự giao thoa của lĩnh vực hóa học, sinh học và vật lý.