3.2.1.1. Đặc điểm màu sắc vật liệu composite Ag3VO4/N-TiO2 tổng hợp
Vật liệu được tổng hợp bằng cách thủy nhiệt Ag3VO4 và N-TiO2 ở các tỉ lệ khối lượng khác nhau (tỉ lệ khối lượng của Ag3VO4/N-TiO2 lần lượt là 5/1;7/1; 10/1; 13/1) ở nhiệt độ 140 oC trong 8 giờ.
Hình ảnh về bề mặt và màu sắc ban đầu của Ag3VO4, N-TiO2 và 4 vật liệu composite ANT-x-1 được trình bày ở Hình 3.8.
Hình 3. 8. Màu sắc các vật liệu Ag3VO4 (a), N-TiO2 (b) và các composite ANT-5-1 (c), ANT-7-1 (d), ANT-10-1 (e), ANT-13-1 (f)
Kết quả ở Hình 3.8 cho thấy, các vật liệu sau biến tính có độ mịn, màu nâu đỏ, màu sắc đậm dần theo tỉ lệ của Ag3VO4/N-TiO2 tăng dần. Sở dĩ như vậy là do lượng Ag3VO4 và N-TiO2 trên vật liệu composite là khác nhau.
3.2.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Để xác định các hợp phần trong vật liệu tổng hợp, các vật liệu Ag3VO4, N-TiO2 và vật liệu composite ANT-5-1; ANT-7-1; ANT-10-1; ANT-13-1 được đặc trưng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, kết quả được trình bày ở Hình 3.9.
Hình 3. 9. Giản đồ XRD của các vật liệu TiO2, N-TiO2, Ag3VO4 và các vật liệu composite ANT-5-1, ANT-7-1, ANT-10-1, ANT-13-1.
Kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X ở Hình 3.9 cho thấy, trên giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2 và N-TiO2 hiện diện đầy đủ các đỉnh đặc trưng của pha duy nhất ở dạng anatase với các đỉnh có cường độ mạnh và sắc nét tại vị trí 2θ bằng 25,45o; 37,25o; 38,31o; 38,67o; 49,95o; 53,89o và 55,06o tương ứng với các mặt tinh thể (101); (103); (004); (112); (200); (105) và (211). Ngoài ra, còn có sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ có cường độ thấp hơn ở 2θ gồm 62,87o, 69,33o, 70,28o và 75,55o tương ứng với các mặt tinh thể (204), (116), (220), (215) và (301) [12] [15]. Đối với giản đồ XRD của Ag3VO4 xuất hiện đỉnh nhiễu xạ tại vị trí là 31,0o; 32,4o tương ứng với mặt phẳng tinh thể (121). Còn lại các đỉnh có cường độ thấp hơn nằm ở vị trí: 19,3o; 35,1o; 36.1o; 51,7o
và 54,1o tương ứng với các mặt tinh thể (001), (220), (301), (322), (132) và (331). Đối với các vật liệu composite Ag3VO4/N-TiO2 ở các tỉ lệ khác nhau xuất hiện đồng thời các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu Ag3VO4 và TiO2. Các đỉnh đặc trưng cho sự có mặt của N không xuất hiện trên giản đồ XRD của N-TiO2 và các vật liệu composite có thể được giải thích là do hàm lượng N khá nhỏ hoặc phân tán khá đều nên không được phát hiện bởi phương pháp XRD.
3.2.1.3. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến
Để đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu, một yếu tố quan trọng thường được sử dụng đó là xác định độ hấp thụ ánh sáng và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến của các vật liệu ANT-x-1 tổng hợp được trình bày ở Hình 3.10.
Hình 3. 10. Phổ UV – Vis trạng thái rắn của Ag3VO4, TiO2, N-TiO2 và các composite ANT-x-1 (x=5, 7, 10 và 13)
Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis trạng thái rắn ở Hình 3.10 cho thấy, phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu TiO2 có đỉnh và phần lớn bờ hấp thụ ánh sáng hầu như nằm gần vùng tử ngoại. Điều này lý giải tại sao TiO2 có hoạt tính xúc tác quang thấp trong vùng ánh sáng khả kiến. Phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu N-TiO2 mở rộng về vùng ánh sáng khả kiến. Đối với các vật liệu composite, có thể thấy rõ đỉnh và bờ hấp thụ được dịch chuyển sang vùng ánh sáng nhìn thấy và trải dài trong một vùng rộng từ 400 đến 800 nm. Toàn bộ đỉnh và bờ hấp thụ của các vật liệu composite nằm hoàn toàn trong vùng khả kiến. Cho thấy khả năng hấp thụ của vật liệu tăng rõ rệt trong vùng ánh sáng khả kiến so với N-TiO2 nguyên chất. Đặc trưng này là một thuận lợi trong việc tăng khả năng hấp thụ năng lượng photon cũng như mở rộng vùng hoạt động quang của composite về vùng ánh sáng có năng lượng thấp. Điều này cho phép dự đoán vật liệu vật liệu composite ANT-x-1 sẽ cho hiệu quả xúc tác quang tốt trong vùng khảo sát.
lượng vùng cấm của các vật liệu dựa vào phương trình Kubelka-Munk
(𝜶𝒉𝝑)𝟐 = (𝒉𝝑 − 𝑬𝒈) và vẽ đồ thị sự phụ thuộc của hàm này vào năng lượng photon hấp thụ, kết quả được trình bày ở Hình 3.11.
Hình 3. 11. Đồ thị của sự phụ thuộc hàm Kubelka – Munk vào năng lượng photon của các vật liệu Ag3VO4, N-TiO2 và các composite ANT-x-1 (x = 5, 7, 10 và 13)
Kết quả từ Hình 3.11 chỉ ra rằng, Giá trị năng lượng vùng cấm của vật liệu N-TiO2 được xác định theo hàm Kubelka-Munk tương ứng khoảng 2,98 eV, nhỏ hơn so với vật liệu TiO2 (khoảng 3,20 eV). Điều này cho thấy việc biến tính TiO2 bằng cách pha tạp N đã giúp làm giảm năng lượng vùng cấm của TiO2. Hơn nữa, năng lượng vùng cấm của vật liệu composit tổng hợp được đã giảm so với N-TiO2 và Ag3VO4 tinh khiết. Với năng lượng vùng cấm nhỏ các vật liệu composite hứa hẹn là những chất xúc tác quang tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy (Hình 3.11).
Bảng 3. 3. Năng lượng vùng cấm Eg của các vật liệu Ag3VO4,TiO2, N-TiO2 và các composite ANT-x-1 (x = 5, 7, 10 và 13)
Mẫu Năng lượng vùng cấm
(eV)
Ag3VO4 2,25
N-TiO2 2,98
TiO2 3,20
ANT-7-1 2,21
ANT-10-1 2,17
ANT-13-1 2,24
3.2.1.4. Phương pháp phổ huỳnh quang
Khả năng quang xúc tác của các mẫu vật liệu bị ảnh hưởng rất lớn bởi tốc độ tái tổ hợp electron quang sinh và lỗ trống quang sinh, tính chất được đặc trưng bởi phổ PL được trình bày ở Hình 3.12.
Hình 3. 12. Phổ huỳnh quang các mẫu vật liệu composite ANT-x-1
Từ kết quả hình 3.12 cho thấy, cường độ phát quang giảm từ mẫu vật liệu ANT-7-1 đến ANT-10-1. Các mẫu vật liệu composite bị kích thích ở 400 nm, có đỉnh phát xạ mạnh ở khoảng 503 nm, trong đó mẫu composite ANT-10-1 có cường độ phát xạ thấp nhất. Điều này cho thấy khả năng tái tổ hợp của electron quang sinh và lỗ trống quang sinh của mẫu vật liệu ANT- 10-1 là thấp nhất trong các mẫu tổng hợp hay nói cách khác khả năng hoạt động quang xúc tác là tốt nhất trong vùng khảo sát [34].