6. Cấu trúc luận văn
3.5. Cơ chế của quá trình quang xúc tác
Dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh được hình thành, di chuyển đến bề mặt vật liệu và
tương tác với một số chất bị hấp phụ trên bề mặt như nước và oxy tạo ra những chất trung gian trên bề mặt chất trung gian như HO, O2-, H2O2 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ. Do đó, để tìm hiểu về cơ chế, vai trò của các gốc tự do cũng như electron và lỗ trống quang sinh trong quá trình hoạt động của vật liệu xúc tác quang, các chất dập tắt (quencher) đã được nhiều tác giả đưa vào nhằm cản trở hoạt động của chúng [18], [24], [25], [30], [37]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng ammonium oxalate (AO) dập tắt lỗ trống quang sinh h+, tert-butyl ancohol (TBA) làm chất dập tắt gốc HO và 1,4-benzoquinone (BQ) dập tắt anion gốc O2•−. Các dung dịch chất dập tắt với nồng độ đầu 10 mmol/L, được cho vào hỗn hợp phản ứng (0,04 g xúc tác AB-12 và 80 ml dung dịch RhB nồng độ 10 mg/L) từ thời điểm bắt đầu chiếu đèn. Kết quả quang xúc tác được tiến hành trên mẫu tối ưu đại diện AB-12 và được trình bày ở Hình 3.25 và Hình 3.26.
Hình 3.26. Sự thay đổi hiệu suất của vật liệu AB-12 khi có mặt các chất dập tắt
Các kết quả trình bày ở Hình 3.25 và 3.26 chỉ ra rằng, sự có mặt của các chất dập tắt O2•−, HO và lỗ trống quang sinh đều làm giảm hiệu suất quang phân hủy RhB so với trường hợp không sử dụng chất dập tắt. Trong đó, ảnh hưởng của TBA đến hiệu suất quang xúc tác là không đáng kể so với sự có mặt của BQ và AO. Khi sử dụng chất dập tắt AO và BQ hiệu suất phân hủy RhB giảm rõ rệt, lần lượt còn 68,64 % và 66,61%, còn khi sử dụng TBA hiệu suất giảm còn 89,97%. Chính vì vậy, có thể kết luận rằng lỗ trống và O2•− là hai tác nhân chính quyết định đến hiệu suất quá trình xúc tác quang của vật liệu hơn là gốc HO. Điều này hoàn toàn phù hợp với công trình của M. Yan và các cộng sự [31].
Từ kết quả trên có thể đề xuất quá trình xúc tác quang xảy ra trên bề mặt vật liệu Ag3VO4/BiVO4 diễn ra như sau:
Ag3VO4 + hν → 𝑒𝐶𝐵− (Ag3VO4) + ℎ𝑉𝐵+ (Ag3VO4) BiVO4 + hν → 𝑒𝐶𝐵− (BiVO4) + ℎ𝑉𝐵+ (BiVO4)
O2•− + 2 H+ + e- → H2O2 H2O2 + e- → OH + OH-
RhB + (O2•−, ℎ𝑉𝐵+ (Ag3VO4), OH) → CO2 + H2O
Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng nhìn thấy, vật liệu composite Ag3VO4/ BiVO4 được kích thích và sau đó các điện tử sẽ tách khỏi lỗ trống trên vùng hóa trị của Ag3VO4, chuyển từ vùng hóa trị đến vùng dẫn và tham gia phản ứng với O2 hòa tan trong nước sinh ra gốc O2•−ngay tại vùng dẫn của Ag3VO4, một phần điện tử từ vùng dẫn của Ag3VO4 sẽ di chuyển từ vùng dẫn của BiVO4 làm giảm sự tái tổ hợp của cặp electron và lỗ trống quang sinh. Lỗ trống ở vùng hóa trị của Ag3VO4 phản ứng với RhB tạo ra CO2 và H2O. Trong khi đó, khi bị kích hoạt bởi ánh sáng nhìn thấy, điện tử từ vùng hóa trị của BiVO4 bị tách ra, di chuyển đến vùng dẫn và sau đó chuyển xuống vùng hóa trị Ag3VO4. Lỗ trống ở vùng hóa trị của BiVO4 phản ứng với H2O tạo ra gốc HO (không đáng kể). 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 giữa hai vật liệu lai ghép Ag3VO4 và BiVO4.
Do đó, chúng tôi đề xuất cơ chế của vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 như Hình 3.27.
Hình 3.27. Sơ đồ quá trình xúc tác quang phân hủy RhB trên bề mặt vật liệu
Ag3VO4/BiVO4