Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lí, khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp g-C3N4/TiO2

Bài viết trình bày các kết quả nghiên cứu tính chất vật lí và khả năng quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/TiO2. Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học với tỉ lệ khối lượng của g-C3N4/TiO2 khác nhau. Cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang của vật liệu được nghiên cứu thông qua phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ huỳnh quang (PL) và phổ hấp thụ UV-vis.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lí, khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp g-C3N4/TiO2 Vật lý & Khoa học vật liệu CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÍ, KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP g-C3N4/TiO2 Lâm Thị Hằng1,2,*, Lê Thị Mai Oanh2, Mạc Thị Thu2, Đào Việt Thắng3, Nguyễn Mạnh Hùng3, Đỗ Danh Bích2 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu tính chất vật lí và khả năng quang xúc tác của vật liệu composite g-C3N4/TiO2. Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học với tỉ lệ khối lượng của g-C3N4/TiO2 khác nhau. Cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang của vật liệu được nghiên cứu thông qua phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ huỳnh quang (PL) và phổ hấp thụ UV-vis. Kết quả cho thấy vật liệu kết tinh tốt của cả hai pha g-C3N4 và TiO2, không có sự xuất hiện của pha tạp chất. Ảnh SEM cho thấy các hạt nano TiO2 bám dính trên các tấm g-C3N4. Kết quả UV-vis chỉ ra rằng bờ hấp thụ quang học của các mẫu g-C3N4/TiO2 có sự về phía bước sóng dài hơn so với TiO2 tinh khiết. Khả năng quang xúc tác của vật liệu g-C3N4/TiO2 được đánh giá thông qua sự suy giảm nồng độ dung dịch Rhodamine B (RhB) (10 ppm) dưới sự chiếu xạ của ánh sáng đèn Xenon. Kết quả thu được cho thấy vật liệu composite g-C3N4/TiO2 có khả năng quang xúc tác tốt hơn vật liệu g-C3N4. Từ khóa: g-C3N4; TiO2; Composite; Quang xúc tác; Rhodamine B. 1. MỞ ĐẦU Trong những thập kỷ qua, do những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực môi trường và năng lượng, vật liệu quang xúc tác có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Vật liệu có cấu trúc nano g-C3N4 đã được chứng minh là có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất H2, giảm khí thải CO2 và được ứng dụng trong lọc nước do có bề rộng dải cấm thích hợp (2,67 eV) và có khả năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy [1-3]. Hơn nữa, g-C3N4 được biết đến là vật liệu có tính ổn định nhiệt và hóa học cao hơn nhiều so với vật liệu quang xúc tác thông thường như TiO2. Tuy nhiên, hiệu quả quang xúc tác của vật liệu g-C3N4 còn hạn chế do tốc độ tái hợp nhanh của cặp điện tử - lỗ trống. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu một số biện pháp để nâng cao hiệu quả quang xúc tác của vật liệu g-C3N4 với mục đích chủ yếu là làm tăng thời gian sống của cặp hạt tải tự do như: (i) pha tạp nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Fe, V, Co) vào vật liệu g-C3N4 [3-4]; (ii) phủ lên vật liệu các hạt nano kim loại có tính dẫn điện tốt (Au, Ag, Pt) [5-7]; (iii) tạo vật liệu tổ hợp với bán dẫn khác như Ag3PO4, NaTaO3, Fe3O4, ZnO, TiO2, WO3 [9]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn cách tạo vật liệu tổ hợp g-C3N4/TiO2 bằng phương pháp trộn cơ học với các tỉ lệ khối lượng g-C3N4/TiO2 khác nhau và nghiên cứu cấu trúc tinh thể, tính chất quang và khả năng quang xúc tác của hệ vật liệu. 2. THỰC NGHIỆM Vật liệu tổ hợp g-C3N4/TiO2 được chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học và rung siêu âm hỗn hợp hai thành phần g-C3N4 và TiO2. Đầu tiên TiO2 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa. Nhỏ giọt 3 ml TTIP (titanium tetraisopropoxide) vào 45 ml isopropanol_2. Hỗn hợp dung dịch được nhỏ từ từ vào 900 ml dung dịch chứa 50 ml isopropanol_2 và 10 µl dung dịch HNO3 trong 2 giờ. Sản phẩm kết tủa thu được li tâm, lọc rửa nhiều lần. Tiếp theo, sản phẩm được sấy khô và nung ở 400 oC trong 2 giờ thu được các hạt TiO2 có màu trắng. Vật liệu g-C3N4 được chế tạo bằng phương pháp đơn giản là nhiệt phân Urê trong không khí ở 550 oC trong vòng 2 giờ. Vật liệu composite g- 136 L. T. Hằng, …, Đ. D. Bích, “Chế tạo và nghiên cứu … của vật liệu tổ hợp g-C3N4/TiO2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ C3N4/TiO2 được trộn cơ học với các tỉ lệ khối lượng g-C3N4:TiO2 lần lượt là 2:8; 3:7; 4:6; 5:5; 6:4 và được kí hiệu tương ứng là: CT2-8; CT3-7; CT4-6; CT5-5; CT6-4. Sản phẩm được khuấy trong 6 giờ rồi đem rung siêu âm 30 phút. Cuối cùng, mẫu được sấy khô ở nhiệt độ 120 oC. Hai vật liệu thành phần là TiO2 và g-C3N4 cũng được khảo sát các tính chất vật lí và thử tính quang xúc tác để so sánh. Khả năng quang xúc tác của hệ vật liệu được đánh giá thông qua khả năng phân hủy dung dịch Rhodamine B (RhB) 10 ppm dưới sự chiếu ánh của đèn Xenon. Đầu tiên 0,06 g g-C3N4/TiO2 được hòa tan trong 30 ml nước cất và rung siêu âm trong 1 giờ. Sau đó, thêm 30 ml dung dịch RhB 20 ppm vào dung dịch trên. Hỗn hợp được khuấy từ trong bóng tối 30 phút nhằm đạt trạng thái hấp phụ bão hòa. Bước tiếp theo, dung dịch được chiếu sáng dưới đèn Xenon trong điều kiện khuấy đều bằng mấy khuấy từ. Cứ sau khoảng thời gian 30 phút, lấy ra 3 ml dung dịch và đem li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút trong thời gian 10 phút để tách bột g-C3N4/TiO2 ra khỏi dung dịch trước khi đo phổ hấp thụ. Sự thay đổi cường ...