I. Tổng quan về tổng hợp xanh ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt
Kẽm oxit (ZnO) là một chất bán dẫn thu hút sự quan tâm lớn nhờ các tính chất lý hóa phù hợp như tính chất quang và điện tuyệt vời, hoạt tính xúc tác tốt, tính tương thích sinh học, tính bền vững với môi trường và độ nhạy sáng cao. Do đó, ZnO có thể được sử dụng làm ngôi sao tiềm năng trong nhiều lĩnh vực liên quan đến xúc tác quang. Ví dụ, việc sử dụng đa dạng các chất xúc tác quang để khử CO2, tạo ra hydro và sản xuất H2O2 cũng như quang phân hủy các hợp chất hữu cơ khác nhau như thuốc nhuộm, hợp chất phenolic, thuốc trừ sâu và thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, hoạt tính xúc tác quang của ZnO không ổn định do khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy kém cùng với sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron-lỗ trống quang sinh và hiệu suất chuyển đổi năng lượng photon thấp, dẫn đến việc thực hiện thực tế còn hạn chế.
Do đó, cấu trúc tinh thể ZnO được điều chỉnh để thu được một chất bán dẫn với cấu trúc vùng mong muốn. Việc đưa carbon vào mạng tinh thể của ZnO sẽ tạo thành một mức năng lượng trung gian trong vùng cấm của vật liệu cũng như tăng cường khả năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng nhìn thấy. Hơn nữa, so với việc pha tạp N và S, việc pha tạp C có thể tách các cặp điện tích một cách hiệu quả nhất, mang lại một kỹ thuật khả thi để nâng cao hiệu suất lượng tử của chất xúc tác quang dựa trên ZnO. Nguồn carbon để pha tạp chủ yếu có nguồn gốc từ tiền chất carbon như glucose, chất hoạt động bề mặt và chiết xuất từ thực vật. Đặc biệt, vỏ măng cụt được biết đến là một loại cây thường xanh điển hình được trồng ở vùng nhiệt đới và lớp vỏ ngoài của nó thường bị loại bỏ sau khi phần thịt được tiêu thụ. Dịch chiết từ lớp vỏ quả này không chỉ đóng vai trò là chất khử và chất ổn định cho quá trình tổng hợp mà còn đóng vai trò là nguồn pha tạp carbon cho ZnO. Do đó, chủ đề của luận văn này là "Tổng hợp xanh ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt: Phân hủy MB & Sản xuất H2O2".
1.1. Tổng quan về vật liệu xúc tác quang ZnO
ZnO là một chất bán dẫn oxit kim loại nhóm II-VI với vùng cấm năng lượng rộng (~3.37 eV) và năng lượng liên kết exciton lớn (60 meV), hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng. ZnO có ba cấu trúc tinh thể chính: wurtzite, zinc blende và rocksalt. Cấu trúc wurtzite là cấu trúc ổn định nhất ở điều kiện môi trường xung quanh và thường được sử dụng trong các ứng dụng xúc tác quang. Cấu trúc wurtzite có tính phân cực, dẫn đến sự phân tách không gian của các cặp electron-lỗ trống quang sinh, do đó cải thiện hiệu quả xúc tác quang.
1.2. Vai trò của vỏ măng cụt trong tổng hợp xanh ZnO
Vỏ măng cụt chứa nhiều hợp chất phenolic và flavonoid, có thể hoạt động như chất khử và chất ổn định trong quá trình tổng hợp xanh. Các hợp chất này có khả năng khử ion Zn2+ thành các hạt nano ZnO và ngăn chặn sự kết tụ của chúng. Ngoài ra, vỏ măng cụt còn chứa carbon, có thể được sử dụng làm nguồn pha tạp để cải thiện tính chất xúc tác quang của ZnO. Theo nghiên cứu của Le Minh Huong, dịch chiết từ vỏ măng cụt có thể được sử dụng để tổng hợp xanh vật liệu ZnO pha tạp C với hiệu quả cao.
II. Thực trạng ô nhiễm thuốc nhuộm và bài toán xử lý nước thải
Ngày nay, sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng đã dẫn đến sự leo thang bùng nổ của nhiều ngành công nghiệp lớn. Trong số đó, ngành dệt may là một trong những ngành thống trị nhất. Thuốc nhuộm được coi là trái tim của ngành công nghiệp này, tuy nhiên, việc xả nước thải chứa thuốc nhuộm được coi là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm lớn nhất của ngành. Ước tính có hơn 10.000 loại thuốc nhuộm và chất màu tổng hợp trên toàn thế giới với sản lượng hàng năm là 700.000 tấn [1]. Tuy nhiên, hơn 25% lượng đó có trong nước thải do hiệu quả của quá trình nhuộm không cao [2].
Thật không may, vì thuốc nhuộm có khả năng chống lại ánh sáng, nhiệt độ, nước, chất tẩy rửa, hóa chất và các tác nhân khác như thuốc tẩy và mồ hôi, nên thuốc nhuộm vẫn ổn định trong môi trường và không thể xử lý bằng các phương pháp xử lý thông thường. Hơn nữa, cấu trúc đa vòng của thuốc nhuộm làm cho quá trình phân hủy sinh học của thuốc nhuộm thậm chí còn kém hiệu quả hơn. Các nguồn nước bị ô nhiễm thuốc nhuộm được coi là rất độc hại và gây ung thư. Do đó, việc uống nước bị ô nhiễm ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người cũng như các sinh vật khác.
2.1. Tác động của ô nhiễm thuốc nhuộm Methylene Blue MB
Methylene Blue (MB) là một loại thuốc nhuộm cation được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt may, y học và các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, MB có thể gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, bao gồm kích ứng da, mắt, khó thở và thậm chí là tử vong nếu nuốt phải với số lượng lớn. Do đó, việc loại bỏ MB khỏi nước thải là rất quan trọng. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ MB, do đó cần có các phương pháp xử lý tiên tiến hơn.
2.2. Các phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hiện nay
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm, bao gồm phương pháp vật lý (hấp phụ, lọc), phương pháp hóa học (oxy hóa, keo tụ, kết tủa) và phương pháp sinh học (sử dụng vi sinh vật để phân hủy thuốc nhuộm). Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Phương pháp xúc tác quang sử dụng vật liệu bán dẫn như ZnO đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường để xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm.
III. Phương pháp tổng hợp xanh ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt đơn giản
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp xanh vật liệu ZnO pha tạp C từ dịch chiết vỏ măng cụt. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Dịch chiết vỏ măng cụt đóng vai trò là chất khử, chất ổn định và nguồn pha tạp carbon trong quá trình tổng hợp. Quá trình tổng hợp bao gồm các bước chính: chuẩn bị dịch chiết vỏ măng cụt, trộn dịch chiết với dung dịch muối kẽm, điều chỉnh pH, sấy khô và nung ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ nung và thời gian nung có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu ZnO pha tạp C.
3.1. Chi tiết quy trình chiết xuất dịch từ vỏ măng cụt
Quy trình chiết xuất dịch từ vỏ măng cụt bao gồm các bước: rửa sạch vỏ măng cụt, cắt nhỏ, sấy khô hoặc phơi khô, nghiền thành bột mịn, ngâm bột vỏ măng cụt trong dung môi (nước cất, ethanol, methanol) với tỷ lệ thích hợp, khuấy liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, lọc bỏ bã và thu dịch chiết. Dịch chiết này chứa các hợp chất phenolic và flavonoid có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp xanh ZnO.
3.2. Tối ưu hóa điều kiện nung để tạo ZnO pha tạp C hiệu quả
Nhiệt độ nung và thời gian nung là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu ZnO pha tạp C. Nhiệt độ nung quá thấp sẽ không loại bỏ hết các tạp chất hữu cơ, trong khi nhiệt độ nung quá cao có thể làm giảm diện tích bề mặt và độ xốp của vật liệu. Thời gian nung quá ngắn sẽ không đảm bảo sự hình thành đầy đủ của cấu trúc tinh thể ZnO, trong khi thời gian nung quá dài có thể dẫn đến sự kết tụ của các hạt nano ZnO. Cần tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian nung để thu được vật liệu ZnO pha tạp C có tính chất xúc tác quang tốt nhất. Trong nghiên cứu của Le Minh Huong, nhiệt độ nung tối ưu là 700°C và thời gian nung tối ưu là 1 giờ.
IV. Hiệu quả phân hủy MB và sản xuất H2O2 của ZnO vỏ măng cụt
Vật liệu ZnO pha tạp C được tổng hợp xanh từ vỏ măng cụt thể hiện hiệu quả cao trong việc phân hủy MB và sản xuất H2O2 dưới ánh sáng nhìn thấy. Sự pha tạp carbon giúp mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của ZnO sang vùng nhìn thấy, tăng cường sự hình thành các cặp electron-lỗ trống và cải thiện hiệu quả xúc tác quang. Ngoài ra, ZnO từ vỏ măng cụt có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và kích thước hạt nano, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ và phản ứng trên bề mặt vật liệu.
4.1. Cơ chế phân hủy Methylene Blue MB bằng ZnO pha tạp C
Cơ chế phân hủy MB bằng ZnO pha tạp C bao gồm các bước: hấp thụ ánh sáng, hình thành các cặp electron-lỗ trống, di chuyển các điện tích đến bề mặt vật liệu, phản ứng oxy hóa khử giữa các điện tích và phân tử MB. Các gốc tự do như •OH và •O2- đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy MB. Sự có mặt của carbon trong cấu trúc ZnO giúp tăng cường sự hình thành các gốc tự do này, do đó cải thiện hiệu quả phân hủy MB. Nghiên cứu của Le Minh Huong đã chứng minh rằng vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt có khả năng phân hủy MB hiệu quả hơn so với ZnO thông thường.
4.2. Ứng dụng ZnO vỏ măng cụt trong sản xuất Hydro Peroxide H2O2
H2O2 là một chất oxy hóa mạnh được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như khử trùng, tẩy trắng, xử lý nước thải và tổng hợp hóa học. Vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt có thể được sử dụng làm chất xúc tác quang để sản xuất H2O2 từ nước và oxy dưới ánh sáng nhìn thấy. Quá trình này bao gồm các bước: hấp thụ ánh sáng, hình thành các cặp electron-lỗ trống, phản ứng khử oxy bằng electron để tạo thành H2O2. Sự có mặt của các chất cho điện tử như methanol hoặc isopropanol có thể tăng cường hiệu quả sản xuất H2O2. Vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt có tiềm năng lớn trong việc sản xuất H2O2 một cách bền vững và thân thiện với môi trường.
V. Đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng của ZnO pha tạp C
Độ bền và khả năng tái sử dụng là những yếu tố quan trọng để đánh giá tính khả thi của vật liệu xúc tác quang trong các ứng dụng thực tế. Nghiên cứu đã đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt trong quá trình phân hủy MB và sản xuất H2O2 qua nhiều chu kỳ sử dụng. Kết quả cho thấy vật liệu vẫn duy trì được hoạt tính xúc tác quang đáng kể sau nhiều chu kỳ, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt.
5.1. Thử nghiệm tái sử dụng vật liệu ZnO pha tạp C sau phân hủy MB
Thử nghiệm tái sử dụng vật liệu ZnO pha tạp C sau quá trình phân hủy MB được thực hiện bằng cách thu hồi vật liệu sau mỗi chu kỳ phản ứng, rửa sạch và sấy khô, sau đó sử dụng lại trong chu kỳ tiếp theo. Hiệu quả phân hủy MB được theo dõi qua từng chu kỳ để đánh giá sự suy giảm hoạt tính của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu vẫn giữ được phần lớn hoạt tính xúc tác quang sau nhiều chu kỳ, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt.
5.2. Khả năng tái sử dụng trong sản xuất H2O2 nhiều chu kỳ liên tiếp
Tương tự như thử nghiệm phân hủy MB, khả năng tái sử dụng vật liệu ZnO pha tạp C trong quá trình sản xuất H2O2 cũng được đánh giá qua nhiều chu kỳ liên tiếp. Vật liệu được thu hồi, rửa sạch, sấy khô và sử dụng lại trong chu kỳ tiếp theo. Lượng H2O2 được tạo ra trong mỗi chu kỳ được đo để đánh giá sự suy giảm hoạt tính của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu vẫn có khả năng sản xuất H2O2 đáng kể sau nhiều chu kỳ, chứng tỏ tính ổn định và khả năng tái sử dụng tốt trong ứng dụng này.
VI. Kết luận và tiềm năng phát triển của ZnO vỏ măng cụt bền vững
Nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi của việc tổng hợp xanh vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt để ứng dụng trong phân hủy MB và sản xuất H2O2. Phương pháp này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn mang lại vật liệu xúc tác quang hiệu quả và ổn định. Việc sử dụng vỏ măng cụt, một loại chất thải nông nghiệp, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra giá trị gia tăng cho phế phẩm. Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng phát triển các vật liệu xúc tác quang bền vững và chi phí thấp cho các ứng dụng xử lý nước thải và năng lượng.
6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo cho vật liệu ZnO pha tạp C
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp xanh để nâng cao hiệu quả xúc tác quang của vật liệu, khám phá các ứng dụng khác của vật liệu trong các lĩnh vực như cảm biến, quang điện và y sinh học, và nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như kích thước hạt, hình dạng và cấu trúc bề mặt đến tính chất của vật liệu.
6.2. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường
Vật liệu ZnO pha tạp C từ vỏ măng cụt có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm và các chất ô nhiễm hữu cơ khác. Ngoài ra, vật liệu cũng có thể được sử dụng để xử lý ô nhiễm không khí và sản xuất năng lượng sạch từ ánh sáng mặt trời.
