Đặc tính hấp thụ vật lý và khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp ống nano TiO2 và graphene

Bài viết trình bày việc tổng hợp vật liệu composite của graphene và ống nano TiO2 (TNTs) bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm tăng khả năng quang xúc tác của TNTs dưới điều kiện ánh sáng khả kiến. Các đặc trưng của vật liệu xúc tác dị thể này được kiểm tra bằng phổ nhiễu xạ tia X, ảnh hiển vi điện tử truyền qua, phổ tán xạ Raman.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đặc tính hấp thụ vật lý và khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp ống nano TiO2 và graphene Vật lý ĐẶC TÍNH HẤP THỤ VẬT LÝ VÀ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP ỐNG NANO TIO2 VÀ GRAPHENE Nguyễn Xuân Sáng1*, Trương Vĩnh Kỳ2, Phạm Văn Việt2, Lưu Thị Lan Anh3, Cao Minh Thì4 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tôi tổng hợp vật liệu composite của graphene và ống nano TiO2 (TNTs) bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm tăng khả năng quang xúc tác của TNTs dưới điều kiện ánh sáng khả kiến. Các đặc trưng của vật liệu xúc tác dị thể này được kiểm tra bằng phổ nhiễu xạ tia X, ảnh hiển vi điện tử truyền qua, phổ tán xạ Raman. Hiệu suất hấp thụ và xúc tác quang vật liệu được đánh giá cao thể hiện thông qua khả năng phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến, cho thấy rằng tỉ lệ graphene trên TNTs ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang và cao hơn so với TNTs tinh khiết. Việc tổng hợp với 5% graphene về khối lượng cho thấy hoạt tính quang xúc tác thu được cao nhất. Từ kết quả của nghiên cứu này cho thấy khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 tăng cường với sự có mặt của graphene dưới ánh sáng khả kiến, mở ra các ứng dụng xử lý chất thải công nghiệp trong tương lai. Từ khóa: Ống nano TiO2, Graphene, Quang xúc tác dị thể, Vật liệu tổ hợp. 1. MỞ ĐẦU Vấn đề ô nhiễm môi trường trong đó ô nhiễm nguồn nước ngày càng trở nên nghiêm trọng và đang diễn biến hết sức phức tạp trên nhiều quốc gia trên thế giới. Để giải quyết tình trạng này, đòi hỏi nghiên cứu sâu rộng hơn để tìm ra các giải pháp nhằm hạn chế, giảm thiểu tác nhân gây ô nhiễm đồng thời tìm ra các phương pháp xử lý các chất làm ô nhiễm môi trường [1]. Trong những thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của công nghệ nano, việc xử lý nước bằng các chất xúc tác ở kích thước nano đã thể hiện nhiều lợi thế, ưu điểm của vật liệu nano dựa trên hiệu ứng kích thước, diện tích bề mặt riêng lớn hơn so với vật liệu khối, đồng thời tạo ra vật liệu có sự đồng nhất về hình thái, nhờ đó mà cải thiện được đáng kể hiệu suất, giảm giá thành và thân thiện với môi trường trong quy trình xử lý. Những tính chất ưu việt của vật liệu nano đã được khám phá và ứng dụng trong các lĩnh vực quang học, xúc tác, sinh học… [2, 3]. Vật liệu nano TiO2 cấu trúc một chiều có tính chất điện vượt trội hơn hẳn so với TiO2 dạng khối về khả năng truyền tải điện tử, trao đổi ion [3, 4]. Trong đó, nano TiO2 dạng ống (TNTs) đang thu hút sự quan tâm bởi diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, cấu trúc dạng ống dễ thu hồi, tính chất truyền dẫn điện tích, khả năng quang xúc tác cao, cũng như khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cells), xử lí nước và diệt vi khuẩn [5-7]. Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo TNTs , trong đó phương pháp thủy nhiệt được quan tâm bởi quy trình thực hiện đơn giản, chi phí thấp, an toàn, cấu trúc ống nano thu được có độ đồng nhất cao [8, 9]. Để tăng cường tính chất xúc tác quang của vật liệu TNTs, gần đây các nhà khoa học quan tâm đến vật liệu tổ hợp của chúng hay còn được gọi là vật liệu quang xúc tác tiếp xúc dị thể. Ví dụ như gắn TiO2 với các hạt nano Cu hay Ag hoặc thậm chí là pha tạp với các nguyên tử N hay S đã làm tăng cường tính chất xúc tác quang của vật liệu TiO2 [9]. Vật liệu graphene với những tính chất cơ điện vuợt trội nên đang được nhiều nhà vật liệu học quan tâm trong việc tổng hợp cùng TiO2 nhằm cải thiện hiệu suất quang xúc tác [10]. Graphene là chất bán dẫn loại p có bề rộng vùng cấm hẹp (khoảng 0,5 eV). Trong quá trình quang xúc tác, tiếp xúc graphene-TiO2 đóng vai trò như tiếp xúc p-n trong đó các 110 N. X. Sáng, …, C. M. Thì, “Đặc tính hấp thụ vật lý… ống nano TiO2 và graphene.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện tử sinh quang sẽ di chuyển đến vùng dẫn của TiO2 trong khi các lỗ trống di chuyển theo hướng ngược lại vào vùng hóa trị của graphene, do đó Việc tách điện tử - lỗ trống được tăng cường [10, 11]. Sự hình thành tiếp giáp giữa graphene và TiO2 là quan trọng cho việc giảm sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống. Như vậy, cặp chất bán dẫn graphene/TiO2 là một chất quang xúc tác đầy hứa hẹn. Trong bài báo này, bằng phương pháp thủy nhiệt, chúng tôi tiến hành chế tạo vật liệu composite lai hóa giữa graphene và TNTs, sau đó khảo sát tính chất xúc tác quang và hấp phụ vật lý của chúng. Hơn nữa, các phép phân tích phổ như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ Raman đã được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, liên kết giữa các thành phần của vật liệu composite. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Hóa chất và vật liệu Hóa chất được sử dụng bao gồm: Graphite được cung cấp bởi hãng Valence Industries, Nam Úc. Chất hoạt động bề mặt Triton-X100 và toluene đã được mua từ Sigma-Aldrich, Australia. Bột TiO2 thương mại (xuất xứ Trung Quốc) ở d ...