Trong phản ứng xúc tác quang, khi vật liệu hấp thụ ánh sáng có bước sóng thích hợp sẽ hình thành các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh trong vật liệu bán dẫn đó chính là những nhân tố để phản ứng quang hóa xảy ra, bao gồm quá trình oxi hóa bởi các lỗ trống quang sinh ở vùng hóa trị và quá trình khử bởi electron quang sinh trên vùng dẫn. Các electron và lỗ trống quang sinh được hình thành sẽ di chuyển đến bề mặt tiếp xúc sau đó tương tác
với các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu như nước và oxi, tạo ra những phần tử trung gian trên bề mặt vật liệu chất bán dẫn như •OH, O2, H2O2 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế phân hủy các hợp chất hữu cơ. Để chứng minh nhận định này, nhiều tác giả đã sử dụng chất dập tắt các phần tử trung gian làm cho chúng không hoạt động được Error! Reference source not found. Error! Reference source not found.. Trong luận văn này, để xác định sự có mặt của các chất trung gian trong cơ chế phân hủy chất hữu, chúng tôi tiến hành khảo sát trên mẫu vật liệu ANT-10-1.
Quá trình xúc tác quang phân hủy RhB được tiến hành ở những điều kiện giống nhau về lượng chất xúc tác, nồng độ RhB, cường độ chiếu sáng nhưng có mặt các chất dập tắt khác nhau. Các chất này là những hóa chất có tác dụng cản trở hoạt động của một tác nhân nhất định trong phản ứng phân hủy bằng cách bắt giữ chúng trong suốt quá trình quang xúc tác xảy ra. Chất dập tắt được chúng tôi sử dụng ở đây là 1,4-Benzoquinon (BQ) được sử dụng để bẫy các gốc anion O2, ancol tert-butylic (TBA) để bẫy các gốc hydroxyl (•OH) và amoni oxalat (AO) để bẫy h+. Các chất dập tắt này được cho cùng với 40 mg mẫu ANT-10-1, 80 mL RhB ngay tại thời điểm bắt đầu quá trình xúc tác. Các bước tiếp theo tiến hành tương tự như quá trình khảo sát xúc tác quang.
Hình 3. 26. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ của RhB theo thời gian trên vật liệu ANT-10-1 (a) và hiệu suất chuyển hóa RhB (b) trong 180 phút khi có mặt các chất
dập tắt gốc tự do
Từ kết quả thu được ở Hình 3.26 cho thấy, khi có mặt các chất dập tắt gốc tự do và lỗ trống, độ chuyển hóa của RhB đều giảm rõ rệt so với trường hợp không có chất dập tắt. Điều này chứng tỏ có sự ảnh hưởng của lỗ trống quang sinh và các gốc tự do O2•- và •OH trong quá trình xúc tác quang phân hủy RhB. Cụ thể, khi sử dụng BQ và TBA và AO, hiệu suất phân hủy RhB lần lượt chỉ đạt 11,58, 15,25 và 34,12%. Điều này chứng tỏ, gốc O2 và các gốc •OH là hai tác nhân chính quyết định đến hiệu suất quá trình xúc tác quang của vật liệu composite Ag3VO4/N-TiO2 hơn là lỗ trống quang sinh.
Từ kết quả trên có thể đề xuất quá trình xúc tác quang xảy ra trên bề mặt vật liệu ANT-10-1 diễn ra như sau :
N-TiO2 + hν → h+VB (N-TiO2) + e-CB (N-TiO2) Ag3VO4 + hν → h+VB (Ag3VO4) + e-CB (Ag3VO4) h+ VB (N-TiO2) + H2O → HO• + H+ e-CB (Ag3VO4) → e-CB (N-TiO2) e-CB (Ag3VO4) + O2→ Ag3VO4 + O2•- 64.1 34.12 15.25 11.58 0 10 20 30 40 50 60 70 Mẫu trắng AO TBA BQ H iệ u s u ất c h u yển h ó a (% ) (a) (b)
e- CB (N-TiO2) + O2→ N-TiO2 + O2•- O2•- + H+ → HO2• HO2• + H+ → H2O2 H2O2 + e-CB → HO• + OH- H2O2 + hν → HO• HO• + RhB → CO2 + H2O (O2•-, HO•, h+CB (N-TiO2)) + RhB → CO2 + H2O
Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng nhìn thấy, Ag3VO4 bị kích thích và sau đó các electron quang sinh được chuyển sang vùng dẫn của N-TiO2. Các electron ở vùng dẫn của Ag3VO4 và N-TiO2 sẽ tham gia phản ứng với O2 hòa tan hấp phụ trên bề mặt để tạo thành anion O2. Sau đó, sản phẩm trung gian HO• được hình thành bằng phản ứng giữa electron quang sinh và H2O2. Hơn nữa, các lỗ trống quang sinh trên N-TiO2 có thể oxi hóa trực tiếp H2O để tạo thành HO• và nó có vai trò chủ chốt trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ. Quá trình tái tổ hợp của electron quang sinh và lỗ trống quang sinh được hạn chế tối đa do quá trình di chuyển của các electron quang sinh trong vật liệu composite.