Chế tạo và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu cấu trúc nano perovskite kép La2MnTiO6

THỰC NGHIỆM

FE-SEM được thực hiện bằng cách chiếu một chùm electron hẹp lên bề mặt mẫu và ghi nhận cường độ của các electron thứ cấp hoặc tán xạ ngược như một sự kết hợp của chùm tia sơ cấp. Từ hình ảnh FE-SEM thu được, các cấu trúc vi mô và kích thước hạt của mẫu có thể được đo một cách tương đối. Phổ khuếch tán phản xạ tử ngoại khả kiến được sử dụng để đánh giá tương tác của xúc tác với ánh sáng ở các bước sóng khác nhau.

Phổ phản xạ khuếch tán UV- Vis được ghi lại trên máy đo quang phổ (DRS-UV Vis, JASCO V-550, Nhật Bản) để nghiên cứu tính chất quang học của các mẫu xúc tác. Phân tích diện tích bề mặt và lỗ rỗng được thực hiện thông qua thiết bị hấp phụ-giải hấp nitơ (Máy phân tích diện tích bề mặt và kích thước lỗ rỗng Quantachrom NOVA 1000E) ở nhiệt độ nitơ lỏng -196 ℃. Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) là lượng nguyên tử cacbon liên kết trong các hợp chất hữu cơ trong mẫu nước và là chỉ số không cụ thể về chất lượng nước (vì nước tinh khiết không chứa cacbon).

Nó không xác định cụ thể các hợp chất chứa cacbon mà chỉ xác định sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ không mong muốn trong nước tinh khiết. Quá trình phân hủy xúc tác quang TC được thực hiện dưới sự chiếu sáng của Đèn UV LED 50W, 365nm trong thiết bị phản ứng dạng vỏ áo. 0,200g chất quang xúc tác được phân tán trong bình phản ứng chứa 200 mL dung dịch TC (nồng độ ban đầu là 40 mgL-1) và được đặt trong hộp đen để tránh ánh sáng từ các nguồn khác.

Trước khi phản ứng quang xúc tác xảy ra, hỗn hợp huyền phù được khuấy trong bóng tối 60 phút để thiết lập cân bằng hấp thụ - giải hấp phụ. Để khảo sát ảnh hưởng của pH đối với sự quá trình phân hủy TC, dung dịch TC được điều chỉnh pH ban đầu bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc NaOH 0,1M. Thí nghiệm đánh giá tác động của các ion phổ biến tồn tại trong nước lên quá trình phân hủy TC được thực hiện bằng cách thêm lần lượt vào hệ phản ứng các ion chloride (Cl−), bicarbonate (HCO3−), carbonate (CO32−), và sulfate (SO42−) với nồng độ bằng nhau (5,0 mM).

Xúc tác sau mỗi lần sử dụng được tách khỏi dung dịch bằng cách ly tâm ở tốc độ 6000 vòng/phút trong 10 phút. Các thông số động học đóng vai trò quan trọng khi nghiên cứu hiệu quả của chất xúc tác quang trong quá trình phân hủy chất hữu cơ. Ct là nồng độ TC tại thời điểm chiếu xạ tại thời điểm t tương ứng kapp (min−1) là hằng số tốc độ phản ứng giả bậc 1.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Đánh giá đặc tính hóa lý của vật liệu

Bề mặt xốp và nhám của các hạt không chỉ thúc đẩy quá trình hấp phụ các phân tử chất ô nhiễm mà còn thúc đẩy quá trình phân hủy chất ô nhiễm với nhiều tâm hoạt động hơn. Tuy nhiên, kích thước của các hạt khá lớn và có xu hướng kết tụ lại với nhau, là do vật liệu được nung ở nhiệt độ cao. Đỉnh của các nguyên tố La, Mn, Ti và O đều thể hiện trong phổ EDX và không có các nguyên tố khác là tạp chất, khẳng định.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 và phân bố kích thước lỗ xốp của các mẫu đã chuẩn bị được thể hiện trong Hình 3.4. Theo phân loại của IUPAC, tất cả các đường cong có thể được phân loại là đường đẳng nhiệt loại IV, đặc trưng của vật liệu hấp phụ mao quản. Tất cả các mẫu đều dẫn đến phân loại vòng trễ kiểu H3, đặc trưng cho cấu trúc hạt dạng tấm hoặc những mạng lưới lỗ xốp lớn.

Ngoài ra, kích thước lỗ xốp tập trung ở vùng mao quản trung bình, trong phạm vi từ 2−20 nm, chứng tỏ vật liệu tổng hợp có kích thước lỗ xốp nanomet. Thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng của vật liệu LMTO chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ nung và đạt giá trị lớn nhất ở mẫu nung 800 °C (Bảng 3.3). Kết quả này có thể được giải thích rằng công đoạn nung tạo ra sự tăng trưởng kích thước tinh thể cũng như thúc đẩy quá trình thiêu kết hạt sơ cấp, nhiệt độ nung càng cao thì vật liệu bị thiêu kết càng nhiều [46].

Để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, phân tích UV-Vis DRS của mẫu nung ở 800 °C được thực hiện. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis DRS của mẫu có các cạnh hấp thụ từ 400nm đến 800nm, chứng tỏ sự hấp thụ nằm trong vùng ánh sáng khả kiến. Giá trị này chứng minh rằng chất xúc tác quang LMTO có thể hoạt động dưới sự chiếu xạ của vùng ánh sáng khả kiến.

Điểm đẳng điện là thông số biểu thị trạng thái cân bằng điện hóa giữa các hạt xúc tác và dung dịch TC, ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy TC. Khi pH< pHpzc, bề mặt xúc tác LMTO-800 tích điện dương, thuận lợi hấp phụ các phần tử TC mang điện tích âm trong dung dịch. Ngược lại, khi pH> pHpzc, tương tác giữa xúc tác LMTO-800 với các phần tử TC mang điện tích dương trong dung dịch được tăng cường.

Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu

Hoạt tính quang xúc tác thấp nhất được ghi nhận ở mẫu nung tại 700 °C, chủ yếu là do pha vô định hình trong cấu trúc vật liệu, không thể hiện hoạt tính quang xúc tác. Từ phổ hấp thụ UV-Vis Hình 3.7 (d) có thể nhận thấy đỉnh hấp thụ UV-Vis của TC ở bước sóng 358 nm đã bị dịch chuyển trong suốt quá trình khảo sát kể từ lúc thêm xúc tác LMTO-800 vào dung dịch TC. Ngoài ra, pH của dung dịch còn ảnh hưởng đến tính chất hóa lý liên quan đến điện tích bề mặt của xúc tác, từ đó cũng làm thay đổi tương tác hấp phụ của các phân tử TC trên bề mặt xúc tác quang [30].

Khi dung dịch có pH 2,08, TC chủ yếu tồn tại dưới dạng TCH3+, khả năng hấp phụ TC trên bề mặt xúc tác giảm do lực đẩy giữa bề mặt vật liệu và TC, dẫn đến TC gần như không bị phân hủy bởi LMTO-800. Hiệu quả phân hủy quang xúc tác tăng lên khi giá trị pH tăng trong khoảng từ 4,10 đến 6,08 được giải thích là do tương tác tĩnh điện (lực đẩy) giữa ion zwitterionic (TCH20) và bề mặt xúc tác tích điện dương giảm. Có thể thấy rằng tác dụng thúc đẩy và ức chế cùng hiện diện trong hệ xúc tác và triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là hiệu suất quá trình phân hủy TC không thay đổi khi có sự hiện diện của các ion HCO3− và.

Nguyên nhân là do anion gốc sunfat (•SO4−) được tạo thành là chất oxy hóa mạnh (E0 =2,6 eV) và có thể tham gia phản ứng với các hợp chất hữu cơ theo ba phương thức phản ứng (i) bằng cách tách nguyên tử hydro từ cacbon bão hòa. Sự khác biệt giữa quá trình loại bỏ TC và TOC có thể là do sự phân hủy của các phân tử TC thành các chất trung gian nhỏ hơn có trọng lượng phân tử thấp hơn TC ban đầu vẫn còn tồn tại trong dung dịch [57]. Với mong muốn tìm được điều kiện giúp nâng cao hiệu quả phân hủy TC, thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đồng thời pH và anion SO42− trong dung dịch TC đã được thực hiện.

Kết quả thực nghiệm chứng minh khi kết hợp các điều kiện thí nghiệm với nhau hiệu suất phân hủy TC không những không tăng mà còn giảm so với các điều kiện thí nghiệm đơn lẻ. Một trong những đặc tính quan trọng nhất của chất xúc tác quang là tính ổn định và khả năng tái sử dụng của nó sau một số chu kì phản ứng nhất định. Hiệu suất phân hủy giảm có thể là kết quả của sự tích tụ một số sản phẩm phân hủy trên bề mặt và sự kết tụ của xúc tác sau nhiều lần sử dụng, do đó làm tắc nghẽn một số vị trí hoạt động trên bề mặt xúc tác [60].

Tuy nhiên, cường độ đỉnh của mẫu tái sử dụng lần 4 giảm nhẹ so với lần đầu tiên, đồng nghĩa với việc mức độ tinh thể hóa của mẫu giảm sau nhiều lần sử dụng. Như được hiển thị trong Hình 3.13, khi EDTA-2Na được thêm vào dung dịch, hiệu suất phân hủy quang xúc tác giảm nhiều nhất 37,5% (giảm từ 62,4% xuống còn 24.9%) chứng tỏ rằng các lỗ trống quang sinh h+ là gốc đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy quang. Khi xúc tác LMTO-800 bị kích thích dưới chiếu xạ của đèn UV LED, các electron quang hóa sẽ chuyển từ vùng hóa trị (VB) sang vùng dẫn (CB), để lại h+ trong vùng hóa trị.