Đặc trưng tính chất quang – vật liệu nanocomposite TiO2/GO tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt

Khảo sát hoạt tính quang xúc tác và khả năng phân hủy MB

Quy trình đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến của các mẫu vật liệu TiO2 và TiO2/GO được trình bày trong hình 2.5. Hỗn hợp được khuấy từ với tốc độ 300 vòng/phút liên tục trong điều kiện không có ánh sáng (hộp tối). Sau khoảng thời gian khuấy trong 1 giờ, 4 mL hỗn hợp được ly tâm với tốc độ 12000 vòng/phút trong thời gian 10 phút nhằm lắng đọng phần chất xúc tác rắn.

Phần dung dịch MB phía trên được phân tích UV-Vis nhằm xác định nồng độ MB sau quá trình hấp phụ. Tiếp theo, hỗn hợp MB và chất xúc tác quang được chiếu sáng bằng đèn led 100 W với ánh sáng trong vùng khả kiến. Thu hồi hỗn hợp sau khi ly tâm và tiếp tục lặp lại thao tác sau mỗi 20 phút chiếu sáng, gồm có sáu lần đo trong thời gian chiếu sáng 2 giờ.

Phương pháp UV-Vis được dùng để xác định nồng độ của dung dich MB sau quá trình hấp phụ và quang xúc tác. Mẫu được phân tích dưới dạng dung dịch bằng máy UV- Vis Stech 754N với dải bước sóng từ 380 nm đến 800 nm, bước quét 0.5 nm tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim, tòa nhà H2, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp. Trong đó: C0 và Ct (mol/l) là nồng độ ban đầu và nồng độ sau khi khuấy trong điều kiện tối của MB, MW là khối lượng mol (g/mol) của MB, V0 là thể tích dung dịch, Wxúc tác là khối lượng chất xúc tác.

Từ đó, sự thay đổi của nồng độ MB (Ct/C0) được ghi nhận thông qua tỷ số A/A0, A0 là độ hấp phụ tương ứng của dung dịch MB ban đầu, A là độ hấp phụ tương ứng của dung dịch MB tại các thời điểm chiếu sáng khác nhau. Phương pháp đánh giá động học của quá trình quang xúc tác liên quan đến việc khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ của chất phản ứng tại bước sóng có độ hấp thụ cao nhất [58]. Mô hình Langmuir - Hinshelwood được sử dụng để đánh giá động học của phản ứng xúc tác quang.

Trong đó, C là nồng độ của chất phản ứng (thay đổi theo thời gian) và k’ là hằng số tốc độ của phản ứng giả bậc 1.

KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN

• Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng GO lên cấu trúc và tính chất quang của TiO 2 /GO
• Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt lên cấu trúc và tính chất quang của TiO 2 /GO
• Khảo sát hoạt tính quang xúc tác và phân hủy MB

Tỷ lệ ID/IG của các mẫu vật liệu TiO2/GO cao hơn so với GO cho thấy độ khuyết tật tăng lên hay các hạt TiO2 đã hình thành được liên kết với các nhóm chức có chứa oxy trong GO [67]. Đỉnh dao động tại vị trí 1342 cm-1 của GO có xu hướng dịch chuyển về số sóng thấp hơn khi tăng hàm lượng TiO2 cho thấy ứng suất gây ra bởi nhiều hạt TiO2 phát triển trên bề mặt graphen và có thể khẳng định thêm sự tương tác hóa học giữa TiO2 và GO [68]. Trong khi đó, phổ UV-DRS của các mẫu vật liệu TiO2/GO đều cho thấy khả năng hấp thụ ỏnh sỏng UV và sỏnh sỏng trong vựng khả kiến được cải thiện rừ ràng khi so sánh với TiO2.

Khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến càng cao kết hợp độ rộng vùng cấm giảm của các chất xúc tác sẽ mang đến hiệu quả cao hơn trong việc ứng dụng ánh sáng mặt trời cho các ứng dụng quang xúc tác. Cường độ của các đỉnh phát xạ phụ thuộc vào tốc độ tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra khi nhận năng lượng kích thích, tốc độ tái hợp càng cao thì cường độ đỉnh phát xạ càng mạnh [75]. Sự suy giảm cường độ các đỉnh phát xạ đặc trưng cho thấy thời gian tái hợp của điện tử và lỗ trống tăng, làm tăng thời gian tồn tại của các hạt mang điện sau quá trình chiếu sáng [75].

Trong khi đó, cường độ phát xạ trong dải bước sóng 400 nm đến 450 nm của mẫu TGO3 thấp nhất cho thấy sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống do bị kích thích quang diễn ra yếu nhất và làm tăng thời gian tồn tại của các hạt mang điện. Nhận xét:giản đồ XRD của các mẫu TiO2/GO đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha anatase với kích thước hạt tinh thể trung bình nằm trong khoảng từ 4.8 nm đến 6.5 nm. Các đỉnh nhiễu xạ của các mẫu vật liệu TiO2/GO đều có độ bán rộng lớn cho thấy các hạt tinh thể đạt được kích Hình 3.12: Giản đồ XRD của các mẫu TiO2/GO ở các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau.

Ngoài ra, đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của GO tại vị trí góc 10.6º không còn xuất hiện trên các mẫu TiO2/GO cho thấy lượng GO thêm vào đã phản ứng hoàn toàn và tách lớp thành rGO trong suốt quá trình thủy nhiệt. Đối với các mẫu TGO6, TGO7 được thủy nhiệt ở nhiệt độ 220oC và 240oC khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến thấp có thể là do xu hướng kết tụ của các hạt TiO2 trên bề mặt tương ứng độ kết tinh tăng trong kết quả XRD ở trên và sự xếp chồng thành khối của các tấm GO. Sự thay đổi nồng độ theo thời gian của 40 mL dung dịch MB (nồng độ 10 mg.L-1) trong 20 mg chất quang xúc tác trong suốt quá trình khuấy trong tối và chiếu sáng được ghi nhận thụng qua sự theo dừi thay đổi của độ hấp phụ lớn nhất trong phổ UV-Vis ở vị trí bước sóng 664 nm.Phổ UV-Vis của sự phân hủy và sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian trong các hỗn hợp với TiO2 và TiO2/GO đươc trình bày trong hình 3.16.

Khi tăng nồng độ GO trong các mẫu TiO2/GO, khả năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến để phân hủy MB càng cải thiện đáng kể, đặc biệt với những mẫu có hàm lượng GO từ 10% trở lên. Khi hàm lượng GO càng tăng thì số lượng các nhóm chức chứa oxy này cũng tăng theo tương ứng và sẽ làm tăng tương tác tĩnh điện giữa bề mặt tích điện âm của vật liệu và MB mang điện dương, kết quả là làm tăng khả năng hấp phụ MB. Khả năng hấp phụ mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến kết hợp với độ rộng vùng cấm nhỏ của GO làm cho vùng biên hấp phụ dịch chuyển về vùng ánh sáng khả kiến và làm giảm độ rộng vùng cấm của các mẫu TiO2/GO.

GO có thể hoạt động như một chất nhận và dẫn điện tử, giúp tăng tốc quá trình vận chuyển điện tử từ bề mặt của TiO2 sau khi kích thích, góp phần giảm sự tái hợp của cặp điện tử và lỗ trống quang sinh. So sánh với kết quả của các nhóm nghiên cứu khác từ bảng 3.6, vật liệu TiO2/GO tổng hợp được trong luận văn này cho thấy hiệu quả cao trong quang phân hủy chất màu hữu cơ MB trong nước dưới sự chiếu sáng của ánh sáng khả kiến.