Tổng hợp trực tiếp vật liệu tổ hợp graphene oxide trên nền ống nano titanium dioxide từ graphite oxide cho ứng dụng quang xúc tác hiệu suất cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: TỔNG HỢP TRỰC TIẾP VẬT LIỆU TỔ HỢP GRAPHENE OXIDE TRÊN NỀN ỐNG NANO TITANIUM DIOXIDE TỪ GRAPHITE OXIDE CHO ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC HIỆU SUẤT CAO TRONG VÙNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: LĨNH VỰC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Mã số cơng trình: …………………………… (Phần BTC Giải thưởng ghi) i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv TÓM TẮT ĐẶT VẤN ĐỀ PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU PHẦN 2: MỤC TIÊU – PHƯƠNG PHÁP 2.1 Tổng hợp vật liệu composite graphene oxide bị khử/TiO2 ống nano 2.1.1 Hóa chất 2.1.2 Quy trình chế tạo 2.2 Phương pháp phân tích 2.3 Quy trình nghiên cứu quang xúc tác 2.3.1 Xác định hoạt tính quang xúc tác vật liệu 2.3.2 Nghiên cứu động học PHẦN 3: KẾT QUẢ – THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng vật liệu 3.2 Đặc tính hấp phụ quang xúc tác 11 3.2.1 Động học hấp phụ 11 3.2.2 Hoạt tính quang xúc tác 13 3.3 Cơ chế quang xúc tác 15 PHẦN 4: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN 22 ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ Ý nghĩa CB Conduction band Vùng dẫn FTIR Fourier-transform infrared Hồng ngoại biến đổi Fourier GO Graphene oxide Graphene oxide MB Methylene blue Methylene xanh PL Photoluminescence Quang phát quang rGO Reduced graphene oxide Graphene oxide bị khử TEM Transmission electron microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TNTs TiO2 nanotubes Các ống nano TiO2 VB Valence band Vùng hóa trị XPS X-ray photoelectron spectroscopy Phổ quang điện tử tia X XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Các thông số hấp phụ TNTs rGO/TNTs theo mơ hình động học khác 12 Bảng So sánh khả quang xúc tác phân hủy MB vật liệu rGO/TNTs với vật liệu tương tự 14 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Quy trình tổng hợp rGO/TNTs Hình Ảnh TEM TNTs (a), rGO/TNTs (b), giản đồ XRD (c) phổ FTIR (d) vật liệu Hình Phổ XPS rGO/TNTs (a) HR-XPS vân đạo Ti 2p (b), O 1s (c) C 1s (d) rGO/TNTs Hình Phổ PL vật liệu (a) phổ PL fit TNTs (b), rGO/TNTs (c) 10 Hình Khả hấp phụ MB (a), mơ hình động học hấp phụ MB phù hợp TNTs rGO/TNTs (b) 11 Hình Hoạt tính quang xúc tác vật liệu ánh sáng khả kiến (a), đồ thị biểu diễn phụ thuộc ln(C/C0) theo thời gian chiếu sáng (b), phổ hấp thụ MB qua rGO/TNTs theo thời gian chiếu sáng (c), kết bẫy gốc (d) 13 Hình Cơ chế quang xúc tác rGO/TNTs ánh sáng khả kiến 15 TÓM TẮT Tổng hợp vật liệu composite graphene oxide bị khử/ống nano titanium dioxide (rGO/TNTs) quan tâm Tuy nhiên, việc tổng hợp rGO/TNTs trực tiếp từ graphite oxide theo phương pháp xanh thách thức Trong nghiên cứu này, tổng hợp rGO/TNTs cách trực tiếp từ bột graphite oxide titanium dioxide ống nano (TNTs) mà khơng có chất hỗ trợ Sự hình thành graphene oxide (GO) xác nhận giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ quang điện tử tia X (XPS) Bên cạnh đó, phổ quang phát quang (PL) đo để xác định khuyết tật vật liệu Hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm methylene xanh (MB) ảnh sáng khả kiến rGO/TNTs đạt 80% sau 180 phút Thêm vào đó, tác nhân chủ yếu chế quang xúc tác nghiên cứu cách hệ thống thơng qua thí nghiệm bẫy gốc phản ứng ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài: Ngày nay, ô nhiễm nguồn nước Việt Nam phát triển ngành công nghiệp đô thị hóa, đe dọa to lớn đến người, trồng, nghiêm trọng gây biến đổi khí hậu Vì vậy, đưa giải pháp để hạn chế, giảm thiểu tác nhân nhiễm đồng thời tìm phương pháp để xử lý chất làm ô nhiễm môi trường vô cần thiết cần ưu tiên hàng đầu Mục tiêu đề tài: Xuyên suốt nhiều thập kỷ, biện pháp xử lý nước ô nhiễm, chẳng hạn màng lọc, hấp phụ phát triển Tuy nhiên, biện pháp loại bỏ vật lý, mà kết tiêu tốn nhiều tài nguyên, khó thu hồi loại bỏ Ngược lại, quang xúc tác giải pháp đầy hứa hẹn tiềm việc giải tình trạng thiếu hụt lượng tồn giới, tính chất thân thiện với mơi trường hiệu cao mà mang lại việc xử lý nước nhiễm Chính mà nghiên cứu tập trung về: “Tổng hợp trực tiếp vật liệu tổ hợp graphene oxide ống nano titan dioxide từ graphite oxide cho ứng dụng quang xúc tác hiệu suất cao vùng ánh sáng nhìn thấy“ Đối tượng nghiên cứu: Trong nghiên cứu này, tổng hợp rGO/TNTs cách trực tiếp từ bột graphite oxide TNTs với hỗ trợ siêu âm ánh sáng mặt trời mà khơng có chất hỗ trợ Vật liệu phân tích đặc trưng nhiều phương pháp khác XRD, TEM, FTIR, XPS, PL Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng: Nghiên cứu hướng đến việc tổng hợp rGO/TNTs trực tiếp, đơn giản với hỗ trợ siêu âm ánh sáng mặt trời Khảo sát khả hấp phụ rGO/TNTs giải thích chế nhằm ứng dụng thực tế Đặc biệt, thực khảo sát khả quang xúc tác, giải thích tăng cường làm rõ chế phân hủy chất nhiễm để từ mở rộng tiềm ứng dụng rGO/TNTs cho việc xử lý môi trường PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Vật liệu bán dẫn ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Bên cạnh ứng dụng sinh hydrogen (Jani et al., 2017), lưu trữ lượng (Thirugunanam et al., 2017), xử lý nước thải đặc biệt quan tâm (Trapalis et al., 2016) Trong vật liệu bán dẫn, TNTs vật liệu lý tưởng để sử dụng cho ứng dụng diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, giá thành rẻ, khơng độc hại (Zhong et al., 2015) Tuy nhiên, tái hợp cặp điện tử – lỗ trống TNTs lại diễn nhanh dẫn đến giảm hiệu quang xúc tác (Zhong et al., 2015) Do đó, phần lớn nghiên cứu gần tập trung vào việc thay đổi tính chất TNTs tăng thời gian phân tách điện tử – lỗ trống, biến đổi cấu trúc vùng để tăng hiệu quang xúc tác Có nhiều cách để đạt tính chất bao gồm tạo cấu trúc dị thể TNTs với bán dẫn khác silicon dioxide (Malik et al., 2016), đồng oxide (Pham et al., 2018a), tin dioxide (Pham et al., 2018c), đính hạt nano kim loại bạc (Pham et al., 2018b), vàng (Mohamed, 2015) lên TNTs, pha tạp vật liệu phù hợp để tăng cường truyền tải điện tích mạng tinh thể v.v Mặc dù hoạt tính quang xúc tác cải thiện, vật liệu nhiều hạn chế độ bền quang thấp giá thành đắt đỏ Ngược lại, GO xem vật liệu tiềm diện tích hiệu dụng lớn, dẫn điện, dễ tương tác với chất hấp phụ, giá thành thấp (Li et al., 2015) Trong dạng thù hình carbon, GO tăng cường phân tích điện tử có hệ liên hợp π khổng lồ dễ dàng hình thành tương tác π– π liên phân tử với chất nhiễm có vịng thơm (Tran et al., 2017a) Thêm vào đó, q trình khử GO để tạo thành rGO phục hồi lại mạng liên hợp π từ tăng cường dẫn điện rGO (Stankovich et al., 2006) Hơn nữa, có nhiều cách tổng hợp rGO/TiO2 thủy nhiệt (Perera et al., 2012), siêu âm (Basheer, 2013), điện hóa (Gobal, Faraji, 2014) Tuy nhiên, giới hạn phương pháp sử dụng tác nhân oxy hóa / khử mạnh trimethoxysilane (3– aminopropyl), NH4F, N2H4, NaBH4 (Basheer, 2013, Cen et al., 2016, Lee et al., 2012, Wang et al., 2017), không tổng hợp trực tiếp từ graphite oxide Trong nghiên cứu này, tổng hợp rGO/TNTs cách trực tiếp từ bột graphite oxide TNTs với hỗ trợ siêu âm ánh sáng mặt trời mà khơng có chất hỗ trợ Vật liệu phân tích đặc trưng nhiều phương pháp khác XRD, TEM, FTIR, XPS, PL Sự thay đổi khả hấp phụ rGO/TNTs làm rõ thông qua mơ hình động học Hơn nữa, rGO/TNTs thể hoạt tính quang xúc tác tuyệt vời để phân hủy MB ánh sáng khả kiến Thêm vào đó, để nghiên cứu sâu chế quang xúc tác, isopropyl alcohol potassium dichromate dùng để bẫy •OH điện tử, để xác định tác nhân phản ứng quang xúc tác rGO/TNTs PHẦN 2: MỤC TIÊU – PHƯƠNG PHÁP 2.1 Tổng hợp vật liệu composite graphene oxide bị khử/TiO2 ống nano 2.1.1 Hóa chất titanium (IV) oxide thương mại (Merck), bột graphite (Sigma-Aldrich), hydrogen peroxide (H2O2, Merck, 30%), nitric acid (HNO3, Merck, 65%), hydrochloric acid (HCl, Merck, 37%), sulfuric acid (H2SO4, Merck, 98%), potassium permanganate (KMnO4, Merck), isopropyl alcohol (Xilong Chemical), potassium dichromate (K2Cr2O7, Sigma-Aldrich), methylene xanh (MB, JHD Fine Chemicals), sodium hydroxide (NaOH, Merck), ethanol absolute (C2H5OH, Sigma-Aldrich), nước deionized (DI) (Puris-Evo water system) 2.1.2 Quy trình chế tạo TNTs tổng hợp theo thông số tối ưu nghiên cứu trước (Pham et al., 2015) Đầu tiên, 1.7 g TiO2 thương mại phân tán 157 mL dung dịch NaOH 10 M Hỗn hợp thủy nhiệt 135 °C 24 h Thành phẩm xử lý với HCl rửa với DI đạt pH Sau sấy khơ 80 °C h Graphite oxide tổng hợp theo phương pháp Hummer (Hummers, Offeman, 1958) Sau đó, rGO/TNTs tổng hợp sau: 0.024 g TNTs 0.0024 g graphite oxide phân tán 30 mL ethanol bể siêu âm h để thu dung dịch vàng nâu đồng Sau đó, hỗn hợp đem chiếu sáng đèn giả phổ mặt trời (ABET Technologies, Inc model No 10500) khí nitrogen 15 phút Cuối cùng, rGO/TNTs rửa với nước DI, ly tâm với tốc độ 10000 rpm 10 sấy khơ qua đêm khí nitrogen 60 oC Quy trình chế tạo miêu tả Hình Hình Quy trình tổng hợp rGO/TNTs PHẦN 3: KẾT QUẢ – THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng vật liệu Hình Ảnh TEM TNTs (a), rGO/TNTs (b), giản đồ XRD (c) phổ FTIR (d) vật liệu Hình (a-b) cho thấy TNTs có cấu trúc dạng ống với chiều dài trung bình 125 ± 25 nm, đường kính trung bình 10 ± nm hình thái TNTs rGO/TNTs cịn dạng ống Bên cạnh đó, tồn vảy đánh dấu đường màu đỏ cho thấy hình thái rGO Hình (c) cho thấy kết XRD TNTs có đỉnh nhiễu xạ 2θ = 25.34o, 37.79o, 48.08o, 55.01o, 62.78o, 75.11o liên quan đến mặt mạng (101), (004), (200), (211), (204), (301) pha anatase TiO2 [JCPDS No 88-1175] Thêm vào đó, có đỉnh nhiễu xạ khác 2θ = 27.50o, 36.08o, 54.35o cho mặt mạng (110), (101), (211) pha rutile TiO2 [JCPDS No 84-1286] Giản đồ XRD graphite oxide cho thấy đỉnh nhiễu xạ 2θ = 13.60 o, liên quan đến mặt mạng (002) cấu trúc lớp graphite oxide (Subrahmanyam et al., 2008) Hơn nữa, đỉnh nhiễu xạ 2θ = 23.92 o cho vảy graphite tồn với dạng khối graphite oxide sau q trình xử lý Bên cạnh đó, đỉnh 2θ = 9.60 o cho mặt mạng (002) GO với cấu trúc dạng Đặc biệt, Hình (c) cho thấy rGO/TNTs xuất phần lớn đỉnh TNTs GO Ngoài ra, biến đỉnh 2θ = 13.60 o chứng tỏ GO bị khử thành rGO Để xác nhận tạo thành rGO, phổ FTIR đo (Hình (d)) cho thấy rGO/TNTs tồn đỉnh đặc trưng GO TNTs Thêm vào đó, cường độ đỉnh dao động C=O (1715 cm-1), C–O (1205 cm-1) rGO/TNTs giảm, chứng tỏ khử thành công of GO Sự xuất đỉnh 1394 cm-1 1130 cm-1 cho thấy có dao động C=C rGO/TNTs (Kellici et al., 2014) Hình Phổ XPS rGO/TNTs (a) HR-XPS vân đạo Ti 2p (b), O 1s (c) C 1s (d) rGO/TNTs 10 Đặc biệt, XPS dùng để xác định trạng thái oxy hóa vật liệu rGO/TNTs Hình (a) thể phổ XPS đầy đủ rGO/TNTs, phổ XPS phân giải cao (HRXPS) rGO/TNTs biểu diễn Hình (b – d) Phổ XPS đầy đủ rGO/TNTs cho thấy tồn C, Ti O vật liệu Phổ HR-XPS Ti 2p (Hình (b)) cho thấy hai đỉnh liên kết 464.1 eV 458.3 eV cho Ti 2p1/2 Ti 2p3/2 trạng thái Ti4+ TNTs (Pham et al., 2018a) Phổ HR-XPS O 1s (Hình (c)) )) cho thấy hai đỉnh liên kết 529.7 eV 531.0 eV cho oxygen mạng tinh thể TNTs (OL) hydroxyl oxygen bề mặt (O-OH) (Samsudin et al., 2016) Bên cạnh đó, tồn đỉnh liên kết 535.2 eV oxygen liên kết O=C (Samsudin et al., 2016) Kết HR-XPS C 1s rGO/TNTs (Hình (d)) cho thấy liên kết O–C=O (288.3 eV), C–O (285.1 eV), C=C (284.2 eV) chứng minh tạo thành rGO/TNTs (Ramadoss et al., 2013) Hình Phổ PL vật liệu (a) phổ PL fit TNTs (b), rGO/TNTs (c) 11 Để xác định khuyết tật vật liệu, phổ PL TNTs rGO/TNTs chụp Hình (a) cho thấy đỉnh phát xạ từ 400 đến 600 nm liên quan đến nút khuyết oxygen, khuyết tật Ti3+, khuyệt tật mạng TNTs (Liu et al., 2012, Mathew et al., 2012, Pan et al., 2005) Các nghiên cứu trước cho biết mức lượng khuyết tật bề mặt Ti3+, nút khuyết oxygen hình thành vùng hóa trị (VB) vùng dẫn (CB) tăng cường đáp ứng ánh sáng khả kiến (Bharti et al., 2016) Hơn nữa, Hình (a) cho thấy cường độ phát xạ rGO/TNTs thấp nhiều so với TNTs cho thấy thời gian phân tách điện tử – lỗ trống rGO/TNTs tăng cường Hình (b-c) cho thấy ba đỉnh phát xạ 420.97 nm (2.95 eV), 521.44 nm (2.38 eV), 598.47 nm (2.07 eV) cho phát xạ khuyết tật nội (STE), khuyết tật oxygen (trạng thái F), khuyết tật oxygen điện tử (trạng thái F+) (Aronne et al., 2017, Chetibi et al., 2017) Sự tồn khuyết tật này, giải thích trình thủy nhiệt xử lý HCl tạo thành nút khuyết oxygen mạng TNTs (Mirfasih et al., 2017) Những nút khuyết oxygen bẫy electron từ CB (Chetibi et al., 2017) Sự tạo thành STE, F, F+ TNTs rGO/TNTs tăng cường thời gian phân tách điện tử lỗ trống từ tăng cường khả quang xúc tác vật liệu 3.2 Đặc tính hấp phụ quang xúc tác 3.2.1 Động học hấp phụ Hình Khả hấp phụ MB (a), mơ hình động học hấp phụ MB phù hợp TNTs rGO/TNTs (b) Khả hấp phụ MB TNTs rGO/TNTs thể Hình (a) Trong 15 phút đầu, MB bị hấp phụ mạnh, hấp phụ MB tăng nhẹ 75 phút Hình (b) cho thấy mơ hình động học hấp phụ MB phù hợp TNTs 12 rGO/TNTs Bảng cho thấy thông số hấp phụ TNTs rGO/TNTs theo mơ hình động học khác Để kết luận xác chất hấp phụ, R2 chi-bình phương (χ2) xem xét Với TNTs, mơ hình PSO với số tốc độ k2 = 0.00373 (g.mg-1.phút-1) phù hợp với kết thực nghiệm (R2 = 0.99912 χ2 = 0.67381) mơ hình khác cho thấy hấp phụ MB TNTs liên quan đến hấp phụ hóa học Với rGO/TNTs, mơ hình Elovich với số tốc độ α = 0.05549 (g.mg-1.phút-1) phù hợp với kết thực nghiệm (R2 = 0.99705 and χ2 = 3.34756) mơ hình khác cho thấy bề mặt rGO/TNTs hệ dị thể Các kết cho thấy tăng cường khả hấp phụ rGO/TNTs (121.36 mg/g) so với TNTs (98.58 mg/g) 90 phút tương tác π–π hình thành π–electron carbon vịng thơm MB (Tran et al., 2017a) Sự tương tác mạnh vật liệu MB tăng cường phản ứng quang xúc tác vật liệu Bảng Các thông số hấp phụ TNTs rGO/TNTs theo mơ hình động học khác qe,exp Mơ hình giả bậc qe,cal k1 R2 χ2 Mơ hình giả bậc hai qe,cal k2 R2 χ2 Mơ hình Elovich α β R2 χ2 Mơ hình khuếch tán nội hạt Kip Cp R2 χ2 TNTs 99.3264 rGO/TNTs 120.7872 94.76440 0.20868 0.98367 12.54280 112.43671 0.13152 0.93790 70.45453 100.84383 0.00373 0.99912 0.67381 123.10544 0.00167 0.98251 19.84125 2147.71225 0.09735 0.99139 6.61716 170.04579 0.05549 0.99705 3.34756 7.70529 39.57686 0.62739 286.27152 10.37504 35.92678 0.79313 234.68119 13 3.2.2 Hoạt tính quang xúc tác Hình Hoạt tính quang xúc tác vật liệu ánh sáng khả kiến (a), đồ thị biểu diễn phụ thuộc ln(C/C0) theo thời gian chiếu sáng (b), phổ hấp thụ MB qua rGO/TNTs theo thời gian chiếu sáng (c), kết bẫy gốc (d) Hình (a) cho thấy hoạt tính quang xúc tác rGO/TNTs cải thiện đáng kể ánh sáng khả kiến Nhìn chung, hiệu suất quang xúc tác rGO/TNTs 180 phút chiếu sáng cao hẳn TNTs Trong 15 phút đầu tiên, tốc độ phân hủy MB rGO/TNTs nhanh giảm mạnh sau 180 phút chiếu sáng Trong đó, rGO/TNTs phân hủy xấp xỉ 80 % MB TNTs đạt 59.5% Để so sánh định lượng rõ ràng, mơ hình L–H sử dụng để tính số tốc độ phân hủy MB với vật liệu Hình (b) cho thấy số tốc độ phân hủy MB rGO/TNTs 15 phút đầu xấp xỉ 0.03053 phút-1, gấp 1.5 lần so với TNTs (0.02127 phút-1) Hình (c) cho thấy đỉnh hấp thụ MB (663.5 nm) không bị dịch suốt trình quang xúc tác MB suy giảm độ hấp thụ sau 180 phút có tồn rGO/TNTs ánh sáng khả kiến Một so sánh thể Bảng 2, cho thấy hoạt tính quang xúc tác cao rGO/TNTs tổng hợp nghiện cứu so với nghiên cứu khác công bố 14 Bảng So sánh khả quang xúc tác phân hủy MB vật liệu rGO/TNTs với vật liệu tương tự Chất xúc tác (Khối lượng) Đèn Nồng độ Hiệu suất (%) (Thể tích) (Thời gian) Tham khảo rGO/TNTs 300 W 30 ppm 80 (180 phút) (0.03 g) Khả kiến (60 mL) 67 (60 phút) rGO/TNTs 500 W 10 ppm 50 (0.05 g) Khả kiến (500 mL) (60 phút) 500 W ppm 70 Khả kiến (100 mL) (180 phút) rGO/hạt TiO2 20 W 10 ppm 80 (Nguyen-Phan et al., (0.01 g) Mặt trời (50 mL) (60 phút) 2011) Gr/ hạt TiO2 450 W 10 ppm 90 (0.008 g) Mặt trời (8 mL) (60 phút) rGO/ hạt TiO2 500 W 10 ppm 60 (0.03 g) Mặt trời (40 mL) (65 phút) rGO/TNTs 6W 20 ppm 60 (0.03 g) Tử ngoại (40 mL) (70 phút) GO-Ag/TNTs Nghiên cứu (Lv et al., 2017) (Sim et al., 2014) (Lee et al., 2012) (Zhang et al., 2010) (Guo et al., 2011) Hơn nữa, isopropyl alcohol K2Cr2O7 thêm vào MB tiến hành đo quang xúc tác để xác định tác nhân phản ứng quang xúc tác rGO/TNTs (Hình (d)) Hiệu suất phân hủy MB rGO/TNTs giảm 48.3 %, 29.2 % isopropyl alcohol, K2Cr2O7 thêm vào Kết chứng minh, chế phân hủy MB rGO/TNTs điện tử •OH Tuy nhiên, hiệu suất phân hủy MB rGO/TNTs giảm mạnh thêm K2Cr2O7, chứng tỏ điện tử đóng vai trị phản ứng quang xúc tác rGO/TNTs 15 3.3 Cơ chế quang xúc tác Hình Cơ chế quang xúc tác rGO/TNTs ánh sáng khả kiến Cơ chế quang xúc tác rGO/TNTs ánh sáng khả kiến đề xuất sau (Hình 7): Khi photon ánh sáng khả kiến kích thích TNTs, điện tử – lỗ trống sinh Sau đó, điện tử chuyển mức bẫy STE khuyết tật oxygen TNTs (Phương trình (7)), chúng di chuyển sang CB rGO, sau điện tử phản ứng với phân tử oxygen tạo thành gốc superoxide ( • 𝑂2− ) (Phương trình (8)) (Chen et al., 2014, Zhang et al., 2016) Thêm vào đó, mạng lưới liên hợp π rGO dễ dàng vận chuyển điện tử khắp bề mặt vật liệu nhằm tăng cường hiệu quang xúc tác (Negishi et al., 2016) Tương tự, lỗ trống VB TNTs phản ứng với nước OH- tạo thành gốc • OH (Phương trình (9)) (Chen et al., 2014, Zhang et al., 2016) Các gốc phân hủy MB tạo thành CO2 H2O (Phương trình (10 – 11)) (Upadhyay et al., 2014)   (rGO / TNTs)  hv  (rGO / TNTs)(eCB  hVB ) (7) e   O2   O2 (8) h  OH  OH (9) OH  MB   CO2  H 2O (10) O2  MB   CO2  H 2O (11) 16 PHẦN 4: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ Kết luận Trong nghiên cứu này, tổng hợp thành cơng rGO/TNTs phương pháp đơn giản Đó cách tổng hợp rGO/TNTs trực tiếp với hỗ trợ siêu âm ánh sáng mặt trời rGO/TNTs tăng cường khả hấp phụ hệ liên hợp π–π GO Đặc biệt, kết thực nghiệm cho thấy rGO/TNTs tăng cường phân tách điện tử – lỗ trống dẫn điện tốt rGO, từ tăng cường hoạt tính quang xúc tác rGO/TNTs so với TNTs Nghiên cứu hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB rGO/TNTs cao gấp 1.33 lần so với TNTs sau 180 phút ánh sáng khả kiến Hơn nữa, điện tử xác định tác nhân q trình quang xúc tác rGO/TNTs Đề nghị - Khảo sát khả quang xúc tác phân hủy loại chất ô nhiễm hữu khác - Khảo sát khả xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Aronne, A., Fantauzzi, M., Imparato, C., Atzei, D., De Stefano, L., D’Errico, G., Sannino, F., Rea, I., Pirozzi, D., Elsener, B., Pernice, P & Rossi, A 2017 ‘Electronic properties of TiO2-based materials characterized by high Ti3+ self-doping and low recombination rate of electron–hole pairs’ RSC Advances (4): pp 23732381 Basheer, C 2013 ‘Application of Titanium Dioxide-Graphene Composite Material for Photocatalytic Degradation of Alkylphenols’ Journal of Chemistry 2013: pp 1-10 Bharti, B., Kumar, S., Lee, H.N & Kumar, R 2016 ‘Formation of oxygen vacancies and Ti3+ state in TiO2 thin film and enhanced optical properties by air plasma treatment’ Scientific Reports 6: pp 32355 Cen, Y., Yao, Y., Xu, Q., Xia, Z., Sisson, R.D & Liang, J 2016 ‘Fabrication of TiO2–graphene composite for the enhanced performance of lithium batteries’ RSC Advances (71): pp 66971-66977 Chen, C., Liu, Q., Gao, S., Li, K., Xu, H., Lou, Z., Huang, B & Dai, Y 2014 ‘Celastrol-modified TiO2 nanoparticles: effects of celastrol on the particle size and visible-light photocatalytic activity’ RSC Advances (24): pp 12098-12104 Chetibi, L., Busko, T., Kulish, N.P., Hamana, D., Chaieb, S & Achour, S 2017 ‘Photoluminescence properties of TiO2 nanofibers’ Journal of Nanoparticle Research 19 (4) Gobal, F & Faraji, M 2014 ‘Electrochemical synthesis of reduced graphene oxide/TiO2 nanotubes/Ti for high-performance supercapacitors’ Ionics 21 (2): pp 525-531 Guo, J., Zhu, S., Chen, Z., Li, Y., Yu, Z., Liu, Q., Li, J., Feng, C & Zhang, D 2011 ‘Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst’ Ultrasonics Sonochemistry 18 (5): pp 1082-1090 Hummers, W.S & Offeman, R.E 1958 ‘Preparation of Graphitic Oxide’ Journal of the American Chemical Society 80 (6): pp 1339-1339 Jani, N.A., Haw, C.Y., Chiu, W.S., Rahman, S.A., Lim, Y.C., Khiew, P.S & Yaghoubi, A 2017 ‘Understanding the effect of plasmonic enhancement on 18 photocatalytic activity of TiO2 nanotube arrays’ Materials Characterization 128: pp 134-141 Kellici, S., Acord, J., Ball, J., Reehal, H.S., Morgan, D & Saha, B 2014 ‘A single rapid route for the synthesis of reduced graphene oxide with antibacterial activities’ RSC Advances (29): pp 14858 Lee, J.S., You, K.H & Park, C.B 2012 ‘Highly photoactive, low bandgap TiO2 nanoparticles wrapped by graphene’ Advanced Materials 24 (8): pp 1084-1088 Li, F., Jiang, X., Zhao, J & Zhang, S 2015 ‘Graphene oxide: A promising nanomaterial for energy and environmental applications’ Nano Energy 16: pp 488515 Liu, L.Z., Xu, W., Wu, X.L., Zhang, Y.Y., Chen, T.H & Chu, P.K 2012 ‘Electronic states and photoluminescence of TiO2 nanotubes with adsorbed surface oxygen’ Applied Physics Letters 100 (12): pp 121904 Lv, S., Wan, J., Shen, Y & Hu, Z 2017 ‘Preparation of superlong TiO2 nanotubes and reduced graphene oxide composite photocatalysts with enhanced photocatalytic performance under visible light irradiation’ Journal of Materials Science: Materials in Electronics 28 (19): pp 14769-14776 Malik, R., Chaudhary, V., Tomer, V.K., Rana, P.S., Nehra, S.P & Duhan, S 2016 ‘Visible light-driven mesoporous Au–TiO2/SiO2 photocatalysts for advanced oxidation process’ Ceramics International 42 (9): pp 10892-10901 Mathew, S., Prasad, A.K., Benoy, T., Rakesh, P.P., Hari, M., Libish, T.M., Radhakrishnan, P., Nampoori, V.P & Vallabhan, C.P 2012 ‘UV-visible photoluminescence of TiO2 nanoparticles prepared by hydrothermal method’ Journal of Fluorescence 22 (6): pp 1563-1569 Mirfasih, M.H., Li, C., Tayyebi, A., Cao, Q., Yu, J & Delaunay, J.-J 2017 ‘Oxygen-vacancy-induced photoelectrochemical water oxidation by platelike tungsten oxide photoanodes prepared under acid-mediated hydrothermal treatment conditions’ RSC Advances (43): pp 26992-27000 Mohamed, M.M 2015 ‘Gold loaded titanium dioxide–carbon nanotube composites as active photocatalysts for cyclohexane oxidation at ambient conditions’ RSC Advances (57): pp 46405-46414 19 Negishi, R., Akabori, M., Ito, T., Watanabe, Y & Kobayashi, Y 2016 ‘Bandlike transport in highly crystalline graphene films from defective graphene oxides’ Scientific Reports 6: pp 28936 Nguyen-Phan, T.-D., Pham, V.H., Shin, E.W., Pham, H.-D., Kim, S., Chung, J.S., Kim, E.J & Hur, S.H 2011 ‘The role of graphene oxide content on the adsorption-enhanced photocatalysis of titanium dioxide/graphene oxide composites’ Chemical Engineering Journal 170 (1): pp 226-232 Pan, D., Zhao, N., Wang, Q., Jiang, S., Ji, X & An, L 2005 ‘Facile Synthesis and Characterization of Luminescent TiO2 Nanocrystals’ Advanced Materials 17 (16): pp 1991-1995 Perera, S.D., Mariano, R.G., Vu, K., Nour, N., Seitz, O., Chabal, Y & Balkus, K.J 2012 ‘Hydrothermal Synthesis of Graphene-TiO2 Nanotube Composites with Enhanced Photocatalytic Activity’ ACS Catalysis (6): pp 949-956 Pham, V.V., Bui, D.P., Tran, H.H., Cao, M.T., Nguyen, T.K., Kim, Y.S & Le, V.H 2018a ‘Photoreduction route for Cu2O/TiO2 nanotubes junction for enhanced photocatalytic activity’ RSC Advances (22): pp 12420-12427 Pham, V.V., Duong, D.P.T., Bui, D.P., Le, V.H & Cao, M.T 2018b ‘Understanding the effect of annealing temperature on crystalline structure, morphology, and photocatalytic activity of silver-loaded TiO2 nanotubes’ Superlattices and Microstructures 117: pp 305-316 Pham, V.V., Phan, B.T., Le, V.H & Cao, M.T 2015 ‘The Effect of Acid Treatment and Reactive Temperature on the Formation of TiO2 Nanotubes’ Journal of Nanoscience and Nanotechnology 15 (7): pp 5202-5206 Pham, V.V., Tran, H.H., Nguyen, X.S., Cao, M.T & Le, V.H 2018c ‘One-step hydrothermal synthesis and characterisation of SnO2 nanoparticle-loaded TiO2 nanotubes with high photocatalytic performance under sunlight’ Journal of Materials Science 53 (5): pp 3364-3374 Ramadoss, A., Kim, G.-S & Kim, S.J 2013 ‘Fabrication of reduced graphene oxide/TiO2 nanorod/reduced graphene oxide hybrid nanostructures as electrode materials for supercapacitor applications’ CrystEngComm 15 (47): pp 10222 Samsudin, E.M., Hamid, S.B.A., Juan, J.C., Basirun, W.J., Kandjani, A.E & Bhargava, S.K 2016 ‘Effective role of trifluoroacetic acid (TFA) to enhance the 20 photocatalytic activity of F-doped TiO2 prepared by modified sol–gel method’ Applied Surface Science 365: pp 57-68 Sim, L.C., Leong, K.H., Ibrahim, S & Saravanan, P 2014 ‘Graphene oxide and Ag engulfed TiO2 nanotube arrays for enhanced electron mobility and visiblelight-driven photocatalytic performance’ Journal of Materials Chemistry A (15): pp 5315-5322 Son, H.S., Lee, S.J., Cho, I.H & Zoh, K.D 2004 ‘Kinetics and mechanism of TNT degradation in TiO2 photocatalysis’ Chemosphere 57 (4): pp 309-317 Stankovich, S., Dikin, D.A., Dommett, G.H., Kohlhaas, K.M., Zimney, E.J., Stach, E.A., Piner, R.D., Nguyen, S.T & Ruoff, R.S 2006 ‘Graphene-based composite materials’ Nature 442 (7100): pp 282-286 Subrahmanyam, K.S., Vivekchand, S.R.C., Govindaraj, A & Rao, C.N.R 2008 ‘A study of graphenes prepared by different methods: characterization, properties and solubilization’ Journal of Materials Chemistry 18 (13): pp 1517 Thirugunanam, L., Kaveri, S., Etacheri, V., Ramaprabhu, S., Dutta, M & Pol, V.G 2017 ‘Electrospun nanoporous TiO2 nanofibers wrapped with reduced graphene oxide for enhanced and rapid lithium-ion storage’ Materials Characterization 131: pp 64-71 Tran, H.N., Wang, Y.-F., You, S.-J & Chao, H.-P 2017a ‘Insights into the mechanism of cationic dye adsorption on activated charcoal: The importance of π–π interactions’ Process Safety and Environmental Protection 107: pp 168-180 Tran, H.N., You, S.J., Hosseini-Bandegharaei, A & Chao, H.P 2017b ‘Mistakes and inconsistencies regarding adsorption of contaminants from aqueous solutions: A critical review’ Water Research 120: pp 88-116 Trapalis, A., Todorova, N., Giannakopoulou, T., Boukos, N., Speliotis, T., Dimotikali, D & Yu, J 2016 ‘TiO2/graphene composite photocatalysts for NOx removal: A comparison of surfactant-stabilized graphene and reduced graphene oxide’ Applied Catalysis B: Environmental 180: pp 637-647 Upadhyay, R.K., Soin, N & Roy, S.S 2014 ‘Role of graphene/metal oxide composites as photocatalysts, adsorbents and disinfectants in water treatment: a review’ RSC Advances (8): pp 3823-3851 21 Wang, D., Guo, L., Zhen, Y., Yue, L., Xue, G & Fu, F 2014 ‘AgBr quantum dots decorated mesoporous Bi2WO6 architectures with enhanced photocatalytic activities for methylene blue’ Journal of Materials Chemistry A (30): pp 1171611727 Wang, H., Wu, Z., Zhao, W & Guan, B 2007 ‘Photocatalytic oxidation of nitrogen oxides using TiO2 loading on woven glass fabric’ Chemosphere 66 (1): pp 185-190 Wang, J., Zhao, H., Haller, G & Li, Y 2017 ‘Recent advances in the selective catalytic reduction of NOx with NH3 on Cu-Chabazite catalysts’ Applied Catalysis B: Environmental 202: pp 346-354 Zhang, H., Lv, X., Li, Y., Wang, Y & Li, J 2010 ‘P25-graphene composite as a high performance photocatalyst’ ACS Nano (1): pp 380-386 Zhang, Q., Bao, N., Wang, X., Hu, X., Miao, X., Chaker, M & Ma, D 2016 ‘Advanced Fabrication of Chemically Bonded Graphene/TiO2 Continuous Fibers with Enhanced Broadband Photocatalytic Properties and Involved Mechanisms Exploration’ Scientific Reports 6: pp 38066 Zhong, J.S., Wang, Q.Y., Liang, H., Chen, D.Q & Ji, Z.G 2015 ‘Improving the visible light photocatalytic activity of TiO2 nanotubes upon decoration with Sb2S3 microcrystalline’ Materials Characterization 109: pp 95-99 22 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 2018 ‘Direct synthesis of reduced graphene oxide/TiO2 nanotubes composite from graphite oxide as a high-efficiency visible light-driven photocatalyst’ Journal of Nanoscience and Nanotechnology (Just accepted) 2018 ‘Photoreduction route for Cu2O/TiO2 nanotubes junction for enhanced photocatalytic activity’ RSC Advances (22): pp 12420-12427 2018 ‘Understanding the effect of annealing temperature on crystalline structure, morphology, and photocatalytic activity of silver-loaded TiO2 nanotubes’ Superlattices and Microstructures 117: pp 305-316 ... trường hiệu cao mà mang lại việc xử lý nước nhiễm Chính mà nghiên cứu tập trung về: ? ?Tổng hợp trực tiếp vật liệu tổ hợp graphene oxide ống nano titan dioxide từ graphite oxide cho ứng dụng quang xúc. .. nhiên, việc tổng hợp rGO/TNTs trực tiếp từ graphite oxide theo phương pháp xanh thách thức Trong nghiên cứu này, tổng hợp rGO/TNTs cách trực tiếp từ bột graphite oxide titanium dioxide ống nano (TNTs)... không tổng hợp trực tiếp từ graphite oxide Trong nghiên cứu này, tổng hợp rGO/TNTs cách trực tiếp từ bột graphite oxide TNTs với hỗ trợ siêu âm ánh sáng mặt trời mà khơng có chất hỗ trợ Vật liệu