Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa, sự phát triển của các ngành công nghiệp như dệt nhuộm, sản xuất giấy, nhựa, mỹ phẩm và mực in đã làm gia tăng đáng kể lượng nước thải chứa các hợp chất màu hữu cơ độc hại ra môi trường. Các chất màu hữu cơ như Rhodamine B (RhB), Xanh metylen (MB), hay Congo Red (CR) là những chất ô nhiễm tương đối bền vững, rất khó phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên. Sự tích tụ lâu ngày của các chất này trong nguồn nước và đất đai không chỉ phá hủy hệ sinh thái thủy sinh mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây dị ứng da, tổn thương hệ hô hấp, đột biến gen và ung thư ở người. Nhằm giải quyết thực trạng này, các phương pháp xử lý nước thải tiên tiến như xử lý sinh học, hấp phụ, lắng kết hóa học và quang xúc tác đã được nghiên cứu áp dụng. Trong đó, công nghệ quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ dưới bức xạ ánh sáng khả kiến đang là hướng tiếp cận nhận được nhiều sự quan tâm.
Vật liệu khung hữu cơ – kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) với cấu trúc tinh thể xốp, diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc hình học linh động được xem là chất mang hoặc chất xúc tác quang đầy tiềm năng. Đặc biệt, các MOFs trên cơ sở kim loại Bismut (Bi-MOFs) sở hữu các đặc tính quang học nổi bật, thân thiện với môi trường và có hoạt tính cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Để nâng cao hơn nữa hiệu suất quang xúc tác và khả năng phân tách, việc kết hợp Bi-MOFs với các hạt nano oxit từ tính spinel ferrite như Magie ferit ($MgFe_2O_4$) là một hướng nghiên cứu thực nghiệm có giá trị thực tiễn. Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Tổng hợp vật liệu Bi-BTC/MgFe2O4 và ứng dụng làm xử lý hữu cơ" được thực hiện nhằm tập trung giải quyết các nhiệm vụ khoa học cụ thể sau:
- Tổng hợp vật liệu khung hữu cơ – kim loại Bi-BTC theo phương pháp nhiệt dung môi.
- Tổng hợp hạt nano từ tính $MgFe_2O_4$ theo phương pháp sol-gel.
- Tổng hợp vật liệu lai composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ bằng phương pháp nhiệt dung môi với các tỷ lệ thành phần khác nhau.
- Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu MOFs Bi-BTC thuần trong quá trình phân hủy chất màu Rhodamine B (RhB).
- Đánh giá khả năng quang xúc tác và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (nồng độ chất màu, cơ chế phản ứng, nhu cầu oxy hóa học COD) của vật liệu biến tính Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ trong quá trình phân hủy chất màu RhB dưới tác dụng của ánh sáng đèn LED.
Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu khung hữu cơ – kim loại Bi-BTC, oxit spinel ferrite $MgFe_2O_4$, vật liệu composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ và chất màu hữu cơ mô hình Rhodamine B ($C_{28}H_{31}ClN_2O_3$, khối lượng phân tử 479,02 g/mol).
Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quá trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu, đo đạc đặc trưng hóa lý và khảo sát hoạt tính quang xúc tác được triển khai tại phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh và Phòng thí nghiệm Khoa học và Ứng dụng, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp niên khóa 2018–2022.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu
- Vật liệu khung hữu cơ – kim loại (MOFs): Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết về MOFs – loại vật liệu lai xốp được hình thành từ liên kết phối trí giữa các ion/cụm ion kim loại (Secondary Building Units - SBUs) và các phối tử hữu cơ (ligands/linkers) đa càng chứa nhóm cacboxylat, photphonat hoặc amin. MOFs có diện tích bề mặt riêng biến thiên lớn từ 500 đến 10.000 $m^2/g$, kích thước mao quản đồng nhất từ 3–20 Å và độ bền nhiệt duy trì dưới 500°C.
- Bi-MOFs và cấu trúc CAU-17: Kim loại Bismut ($Bi$) có số oxy hóa phổ biến là +3, khối lượng riêng 9,79 $g/cm^3$, nhiệt độ nóng chảy 271,44°C, nhiệt độ sôi 1564°C, có tính nghịch từ mạnh và không độc hại. Cấu trúc mạng tinh thể Bi-BTC (tương tự họ CAU-17) được hình thành từ 9 ion $Bi^{3+}$, 9 phối tử axit trimesic ($BTC^{3-}$) và 9 phân tử nước phối trí, tạo nên hệ thống vi mao quản ba chiều có hoạt tính quang xúc tác cao.
- Magie ferit ($MgFe_2O_4$): Là chất rắn màu đỏ nâu, thuộc cấu trúc spinel ferrite, có tính chất từ tính mạnh và độ bền hóa học cao, đóng vai trò làm pha nền trợ xúc tác và tạo thuận lợi cho việc thu hồi vật liệu.
- Chất màu Rhodamine B (RhB): Tên IUPAC là N-[9-(ortho-carboxyphenyl)-6-(diethylamino)-3H-xanthen-3-ylidene], độ tan trong nước 15 g/L, nhiệt độ nóng chảy 210–211°C, là chất màu cation được dùng làm chất ô nhiễm mô hình để đánh giá hiệu năng xử lý.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp Sol-gel: Sử dụng để điều chế hạt nano $MgFe_2O_4$ từ muối $MgCl_2\cdot6H_2O$, $FeCl_3\cdot6H_2O$ với chất hoạt động bề mặt cetyltrimethylammonium bromide (CTAB - $C_{19}H_{42}BrN$), môi trường kiềm hóa $NaOH$ 10M và nung xử lý nhiệt ở 700°C trong 4 giờ.
- Phương pháp Nhiệt dung môi (Solvothermal): Sử dụng autoclave lót Teflon vỏ thép chịu áp suất ở nhiệt độ 120°C trong 24 giờ để tổng hợp Bi-BTC và gắn kết $MgFe_2O_4$ lên khung Bi-BTC trong hệ hỗn hợp dung môi N,N-Dimethylformamide (DMF) và Methanol ($CH_3OH$) theo tỷ lệ thể tích 1:1.
- Phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái:
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định thành phần pha, độ kết tinh và cấu trúc mạng lưới tinh thể của mẫu.
- Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Nhận diện các liên kết hóa học, dao động của nhóm chức cacboxylat ($COO^-$), liên kết kim loại-oxy ($Mg-O$, $Fe-O$, $Bi-O$) và phân tử nước hấp phụ.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái học bề mặt, cấu trúc dạng que và phân bố kích thước hạt của vật liệu.
- Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác quang: Đo độ hấp thụ quang phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) của dung dịch RhB theo định luật Beer-Lambert để tính toán hiệu suất phân hủy $H% = (1 - C/C_0) \times 100$. Quá trình gồm 60 phút hấp phụ trong tối để đạt cân bằng và 180 phút chiếu xạ dưới hệ đèn LED công suất 12V.
- Phương pháp bẫy gốc tự do (Scavenger test): Xác định cơ chế phân hủy quang thông qua tác nhân bắt điện tử $e^-$ ($K_2Cr_2O_7$) và tác nhân bắt lỗ trống $h^+$ ($Na_2C_2O_4$).
- Phương pháp chuẩn độ xác định nhu cầu oxy hóa học (COD): Đánh giá mức độ khoáng hóa chất hữu cơ RhB bằng phương pháp oxy hóa với $K_2Cr_2O_7$ 0,25N trong môi trường $H_2SO_4$ đậm đặc xúc tác $Ag_2SO_4$ ở 150°C trong 2 giờ, sau đó chuẩn độ lượng dư bằng dung dịch chuẩn muối Mohr FAS ($Fe(NH_4)_2(SO_4)_2$) với chỉ thị ferroin.
Nguồn dữ liệu: Dữ liệu định lượng và đồ thị phổ thu nhận trực tiếp từ các thiết bị phân tích thực nghiệm chuyên dụng (Máy quang phổ UV-Vis Agilent Technologies, máy ly tâm Colo Lab Experts, tủ sấy chân không Jeio Tech, máy khuấy từ Velp...).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vật liệu xốp MOFs từ mốc công bố đầu tiên của Omar M. Yaghi năm 1995 ($Zn_4(BDC)_3$). Tác giả phân tích chi tiết cấu tạo của các đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs), sự đa dạng của các phối tử hữu cơ (như axit terephthalic, axit trimesic $H_3BTC$) và so sánh các đặc tính diện tích bề mặt của MOFs với vật liệu Zeolite truyền thống (Zeolite đạt tối đa khoảng 900 $m^2/g$, trong khi MOFs có thể đạt từ 500 đến 10.000 $m^2/g$). Chương này cũng tổng hợp các phương pháp chế tạo MOFs, chỉ ra rằng phương pháp nhiệt dung môi chiếm khoảng 70% các công trình công bố nhờ khả năng tạo tinh thể hoàn hảo và kiểm soát tốt hình thái học.
Bên cạnh đó, chương 1 trình bày đặc tính hóa học, vật lý của kim loại Bismut, giới thiệu các cấu trúc Bi-MOFs tiêu biểu (CAU-17, CAU-31, CAU-32, CAU-33, CAU-35) và các ứng dụng trong xúc tác quang, huỳnh quang phát xạ, y sinh dẫn truyền thuốc và lưu trữ khí ($CO_2$, $H_2$, $N_2$). Các thông tin về cấu trúc, tính chất lý hóa, mức độ độc hại của chất thải màu Rhodamine B và hạt nano $MgFe_2O_4$ cũng được tổng thuật đầy đủ.
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất có độ tinh khiết cao ($BiCl_3$ 98%, $H_3BTC$ 95%, RhB 99%, $FeCl_3\cdot6H_2O$ 99%, DMF 99,8%, Methanol 99%...), hệ thống thiết bị và quy trình công nghệ 3 bước:
- Tổng hợp Bi-BTC: Hòa tan 0,1497 g $BiCl_3$ và 0,7293 g $H_3BTC$ trong 30 mL DMF và 30 mL Methanol ($V_{DMF}:V_{MeOH} = 1:1$), khuấy từ 30 phút, nạp vào ống Teflon bọc thép, gia nhiệt ở 120°C trong 24 giờ. Rửa ly tâm 3 lần bằng DMF và 2 lần bằng Methanol ở tốc độ 6000 vòng/phút, sấy chân không 80°C trong 24 giờ.
- Tổng hợp $MgFe_2O_4$: Hòa tan $MgCl_2\cdot6H_2O$, $FeCl_3\cdot6H_2O$, thêm 3,5 mL $HCl$ đặc, 0,833 g CTAB và 25 mL $NaOH$ 10M, khuấy gia nhiệt ở 70°C trong 24 giờ. Lọc rửa đến pH = 7, sấy khô 70°C và nung tại 700°C trong 4 giờ với tốc độ nâng nhiệt 10°C/phút.
- Tổng hợp composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$: Phối trộn huyền phù $MgFe_2O_4$ trong DMF với dung dịch tiền chất Bi-BTC theo 5 tỷ lệ khối lượng tăng dần (tạo ra các mẫu từ BiBTC/$MgFe_2O_4$-1 đến BiBTC/$MgFe_2O_4$-5), tiến hành nhiệt dung môi ở 120°C trong 24 giờ, rửa sạch và sấy chân không ở 80°C trong 24 giờ.
Chương này cũng thiết lập chi tiết quy trình kiểm tra hoạt tính xúc tác quang với 0,01 g xúc tác phân tán trong 50 mL dung dịch RhB, quy trình bẫy gốc tự do và quy trình chuẩn độ thể tích xác định chỉ số COD.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:
- Đặc trưng cấu trúc và hình thái: Tinh thể Bi-BTC thu được có dạng bột màu trắng mịn, $MgFe_2O_4$ màu đỏ gạch, các mẫu composite có màu vàng nhạt chuyển đậm dần theo lượng ferrite. Phổ XRD cho thấy các vạch nhiễu xạ đặc trưng của Bi-BTC xuất hiện tại góc $2\theta = 7^\circ, 12^\circ, 13^\circ, 14^\circ, 23^\circ, 33^\circ, 38^\circ$ và vạch đặc trưng của $MgFe_2O_4$ tại $2\theta = 63^\circ$. Phổ FT-IR ghi nhận sự biến mất của đỉnh $1715\text{ cm}^{-1}$ (đặc trưng cho nhóm $-COOH$ tự do của $H_3BTC$), thay vào đó là dao động đối xứng của nhóm phối trí $COO^-$ ở $1362,28\text{ cm}^{-1}$, dao động bất đối xứng ở $1549,81\text{ cm}^{-1}$ và liên kết kim loại-oxy $Mg-O$ ở $530 - 593\text{ cm}^{-1}$. Ảnh SEM của mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 thể hiện cấu trúc dạng que với kích thước phân bố từ 0,68 đến 2,0 $\mu m$.
- Hoạt tính quang xúc tác và hấp phụ: Trong điều kiện chiếu sáng bằng đèn LED 12V suốt 180 phút đối với dung dịch RhB 15 ppm, mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 đạt hiệu suất phân hủy cao nhất (99,5%). Hiệu suất hấp phụ trong tối của các mẫu dao động từ 13% đến 37,5%.
- Khảo sát nồng độ và chỉ số COD: Khảo sát trên mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 ở các nồng độ RhB 10, 15, 20, 25 ppm cho thấy hiệu suất phân hủy đạt tối ưu tại nồng độ 20 ppm (đạt 97,1%). Hàm lượng COD của dung dịch RhB 20 ppm giảm mạnh từ 668 mg/L trước phản ứng xuống còn 401 mg/L sau quá trình xử lý.
- Cơ chế phân hủy: Khi có mặt chất bẫy điện tử $K_2Cr_2O_7$, hiệu suất phân hủy của BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 vẫn duy trì ở mức cao (92,5%), nhưng khi bổ sung chất bẫy lỗ trống $Na_2C_2O_4$, hiệu suất giảm mạnh xuống còn 42,5%, chứng minh lỗ trống quang sinh ($h^+$) giữ vai trò quyết định trong cơ chế quang oxy hóa RhB.
| Mẫu vật liệu |
Khối lượng xúc tác (g) |
Hiệu suất hấp phụ trong tối (%) |
Hiệu suất quang phân hủy sau 180 phút (%) |
| BiBTC thuần |
0,01 |
29,20% |
97,0% |
| $MgFe_2O_4$ thuần |
0,01 |
13,00% |
10,4% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-1 |
0,01 |
24,52% |
99,0% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-2 |
0,01 |
~26,00% |
94,0% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 |
0,01 |
37,50% |
99,5% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-4 |
0,01 |
~35,00% |
93,0% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-5 |
0,01 |
~30,00% |
86,0% |
Bảng 1: So sánh hiệu suất hấp phụ và quang phân hủy thuốc nhuộm RhB (15 ppm) giữa các mẫu vật liệu sau 180 phút.
| Nồng độ RhB khảo sát (ppm) |
Hiệu suất phân hủy sau 180 phút (%) |
Giá trị COD ban đầu (mg/L) |
Giá trị COD sau xử lý (mg/L) |
| 10 ppm |
95,3% |
535,1 |
Không ổn định |
| 15 ppm |
94,6% |
- |
- |
| 20 ppm |
97,1% |
668,0 |
401,0 |
| 25 ppm |
92,0% |
- |
- |
Bảng 2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu RhB và độ giảm COD đối với mẫu xúc tác BiBTC/$MgFe_2O_4$-3.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Tổng hợp thành công hệ vật liệu lai quang xúc tác Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ bằng phương pháp nhiệt dung môi ở 120°C trong 24 giờ trên cơ sở kết hợp Bi-MOFs và hạt nano từ tính $MgFe_2O_4$ (được chế tạo riêng bằng phương pháp sol-gel nung ở 700°C).
- Khẳng định sự hình thành cấu trúc tinh thể composite và liên kết phối trí đặc trưng thông qua các phương pháp phân tích phổ XRD, FT-IR và ảnh hiển vi điện tử SEM (hạt có dạng hình que, kích thước 0,68–2,0 $\mu m$).
- Xác định được tỷ lệ phối trộn tối ưu ở mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3, cho hiệu suất phân hủy chất màu Rhodamine B đạt 99,5% sau 180 phút chiếu xạ ánh sáng đèn LED 12V, vượt trội hơn so với Bi-BTC thuần (97,0%) và $MgFe_2O_4$ thuần (10,4%).
- Khảo sát nồng độ thích hợp của chất màu RhB cho mẫu tối ưu là 20 ppm (đạt hiệu suất phân hủy 97,1%), đồng thời làm giảm chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) từ 668 mg/L xuống 401 mg/L.
- Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng quang xúc tác: Lỗ trống quang sinh ($h^+$) là tiểu phân hoạt động chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ (khi bắt $h^+$ bằng $Na_2C_2O_4$, hiệu suất phân hủy của mẫu 3 giảm sâu từ 99,5% xuống 42,5%).
| Mẫu vật liệu |
Hiệu suất không có chất bẫy (%) |
Bẫy điện tử $e^-$ ($K_2Cr_2O_7$) (%) |
Bẫy lỗ trống $h^+$ ($Na_2C_2O_4$) (%) |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-1 |
99,0% |
95,4% |
28,0% |
| BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 |
99,5% |
92,5% |
42,5% |
Bảng 3: Hiệu suất phân hủy RhB khi bổ sung các tác nhân bẫy gốc tự do trên hai mẫu composite tiêu biểu.
Đóng góp của đề tài
Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc kết hợp mạng khung hữu cơ – kim loại gốc Bismut không độc hại với hạt ferrite từ tính $MgFe_2O_4$ để tạo ra hệ vật liệu lai có khả năng hoạt động tốt dưới nguồn sáng vùng khả kiến (đèn LED 12V thông dụng), mở ra hướng đi thực tế trong xử lý chất ô nhiễm màu hữu cơ mà không cần sử dụng các nguồn phát tia cực tím tiêu tốn nhiều năng lượng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Kích thước hạt chưa đồng đều: Kết quả ảnh SEM cho thấy các hạt tinh thể BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 có dạng hình que với kích thước còn phân tán rộng (từ 0,68 đến 2,0 $\mu m$).
- Hạn chế về nồng độ chất oxy hóa bổ sung: Trong các thí nghiệm phân hủy dạng Photo-Fenton, việc chưa bổ sung chất oxy hóa $H_2O_2$ đã làm hạn chế khả năng tạo ra các gốc tự do hydroxyl ($HO^\bullet$), khiến hệ phản ứng chưa đạt được tốc độ oxy hóa tối đa khi kết hợp với các tác nhân bẫy.
- Sai số thực nghiệm: Xuất hiện sai lệch nhỏ về hiệu suất phân hủy ở cùng nồng độ 15 ppm giữa hai đợt khảo sát (99,5% so với 94,6%), được tác giả xác định do quá trình cân mẫu, pha dung dịch hoặc hiện tượng rung lắc trong thao tác tách ly tâm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình quang xúc tác Photo-Fenton dị thể khi bổ sung thêm nồng độ $H_2O_2$ thích hợp nhằm gia tăng khả năng khoáng hóa triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ.
- Khảo sát khả năng thu hồi, tách pha bằng từ trường ngoài nhờ đặc tính từ tính của pha $MgFe_2O_4$ và đánh giá độ ổn định, khả năng tái sử dụng của vật liệu qua nhiều chu trình phản ứng liên tiếp.
- Mở rộng phạm vi thử nghiệm trên các hợp chất màu hữu cơ khác (Xanh metylen, Methyl da cam, Congo Red) và nguồn nước thải dệt nhuộm thực tế.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành: Công nghệ Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa lý thuyết và Hóa học Môi trường đang nghiên cứu về tổng hợp vật liệu khung hữu cơ – kim loại (MOFs) và vật liệu nano từ tính.
- Nội dung tham khảo chuyên sâu:
- Quy trình chi tiết tổng hợp vật liệu Bi-BTC và composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ bằng phương pháp nhiệt dung môi trong hệ dung môi phân cực DMF/Methanol (tỷ lệ 1:1).
- Quy trình chế tạo hạt nano spinel ferrite $MgFe_2O_4$ bằng phương pháp sol-gel có hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt CTAB và nung ở 700°C.
- Bộ số liệu thực nghiệm về phổ XRD, FT-IR, ảnh SEM và quy trình chuẩn độ xác định chỉ số COD trong đánh giá xử lý nước thải dệt nhuộm.
Câu hỏi thường gặp
1. Vật liệu Bi-BTC và composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ được tổng hợp ở điều kiện nhiệt độ và thời gian nào?
Vật liệu Bi-BTC và composite Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi trong ống autoclave lót Teflon vỏ thép ở nhiệt độ 120°C trong thời gian 24 giờ, sử dụng hệ dung môi DMF và Methanol với tỷ lệ thể tích 1:1.
2. Mẫu vật liệu nào thể hiện hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B cao nhất và đạt hiệu suất bao nhiêu?
Mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao nhất, đạt hiệu suất phân hủy chất màu Rhodamine B (nồng độ 15 ppm) lên tới 99,5% sau 180 phút chiếu sáng bằng hệ đèn LED 12V.
3. Phương pháp phân tích FT-IR đã cung cấp bằng chứng nào chứng minh sự tạo thành liên kết phối trí trong Bi-BTC?
Phổ FT-IR cho thấy đỉnh hấp thụ tại số sóng $1715\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho nhóm cacboxylic tự do ($-COOH$) của axit trimesic hoàn toàn biến mất, đồng thời xuất hiện các đỉnh dao động đối xứng tại $1362,28\text{ cm}^{-1}$ và bất đối xứng tại $1549,81\text{ cm}^{-1}$ của nhóm $COO^-$, chứng minh các nhóm cacboxylat đã liên kết phối trí thành công với ion kim loại $Bi^{3+}$.
4. Tiểu phân hoạt động nào đóng vai trò chủ đạo trong cơ chế quang phân hủy RhB của vật liệu?
Qua thí nghiệm bẫy gốc tự do, khi bổ sung $Na_2C_2O_4$ để bẫy lỗ trống $h^+$, hiệu suất phân hủy của mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 giảm mạnh từ 99,5% xuống 42,5% (và mẫu 1 giảm xuống 28,0%), trong khi bẫy điện tử $e^-$ bằng $K_2Cr_2O_7$ hiệu suất vẫn duy trì trên 92,5%. Điều này chứng minh lỗ trống quang sinh ($h^+$) là tác nhân oxy hóa chủ đạo.
5. Khả năng làm giảm chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) của mẫu tối ưu đạt kết quả như thế nào?
Đối với dung dịch RhB ở nồng độ khảo sát tối ưu 20 ppm, mẫu xúc tác BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 đã làm giảm hàm lượng COD từ mức 668 mg/L trước phản ứng xuống còn 401 mg/L sau quá trình xử lý quang xúc tác.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phan Thị Phi Yến đã thực hiện thành công việc chế tạo hệ vật liệu composite quang xúc tác Bi-BTC/$MgFe_2O_4$ thông qua sự kết hợp giữa phương pháp sol-gel và nhiệt dung môi. Các kết quả phân tích hóa lý (XRD, FT-IR, SEM) khẳng định sự hình thành cấu trúc tinh thể lai dạng que với kích thước 0,68–2,0 $\mu m$ và sự phối trí bền vững giữa tâm kim loại Bismut với phối tử axit trimesic trên nền oxit từ tính. Thực nghiệm quang xúc tác xác định mẫu BiBTC/$MgFe_2O_4$-3 đạt hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B tối ưu lên đến 99,5% dưới ánh sáng đèn LED khả kiến 12V và làm giảm đáng kể chỉ số COD của nguồn nước ô nhiễm mô hình. Nghiên cứu đã cung cấp đầy đủ luận cứ khoa học về cơ chế phản ứng qua trung gian lỗ trống quang sinh ($h^+$), đóng góp một quy trình thực nghiệm hữu ích cho lĩnh vực xử lý chất thải màu hữu cơ bằng vật liệu xúc tác quang tiên tiến.
