Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh metylen trong
dung dịch nước của các mẫu vật liệu g-C3N4, Cu2O, g-C3N4/Cu2O-5, g-C3N4/Cu2O-10 và g-C3N4/Cu2O-20 dưới sự chiếu xạ của đèn sợi tóc
220V-100W được trình bày ở Hình 3.20.
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/Co của dung dịch MB theo thời gian chiếu
sáng (giờ) của g-C3N4, Cu2O, g-C3N4/Cu2O-5, g-C3N4/Cu2O-10 và g-C3N4/Cu2O-20
(nồng độ MB 10 mg/L; đèn 220V-100W)
Kết quả ở Hình 3.20 cho thấy khả năng phân hủy MB của mẫu g-C3N4
dưới điều kiện ánh sáng khả kiến là khá thấp. Mẫu Cu2O, tuy có năng lượng vùng cấm thấp (Eg = 2,0 eV) nhưng khả năng phân hủy MB cũng không cao. Điều này là do sau một thời gian xảy ra quá trình quang xúc tác, trên mẫu Cu2O xảy ra hiện tượng tái kết hợp electron quang sinh – lỗ trống quang sinh
cao, dẫn đến sự hình thành các gốc tự do O2, OHthấp nên hiệu suất phân hủy của MB sẽ thấp.
Nhìn chung, các mẫu vật liệu composite đều có khả năng quang xúc tác dưới sự chiếu xạ của ánh sáng đèn sợi tóc.
Cụ thể, khi tăng tỉ lệ phần trăm khối lượng g-C3N4/Cu2O từ 5% đến 20%, hiệu suất phân hủy xanh metylen tăng lên và đạt cực đại 75,29% ở tỉ lệ phần trăm khối lượng g-C3N4/Cu2Olà 10%, nếu tiếp tục tăng tỉ lệ thì hiệu suất phân hủy giảm. Điều này có thể được giải thích do tác nhân g-C3N4 đóng vai trò như các “bẫy” điện tử, “bẫy” lỗ trống tăng cường sự chia tách lỗ trống - điện tử. Các “bẫy” điện tử càng nhiều thì các phần tử hoạt động (•O2-, OH) sẽ càng dễ được sinh ra. Do đó, khi phần trăm khối lượng g-C3N4 tăng lên thì khả năng xúc tác quang tăng lên. Nhưng nếu hàm lượng g-C3N4 quá cao, mật độ quá dày, các “bẫy” điện tử lại đóng vai trò làm các tâm tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống làm giảm khả năng xúc tác quang của vật liệu. Như vậy, tỉ lệ phần trăm khối lượng g-C3N4/Cu2O phù hợp được chọn là 10%.
Động học của quá trình xúc tác quang và hằng số tốc độ của phản ứng phân hủy MB cũng là một tiêu chí quan trọng để đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu. Để thực hiện đánh giá này, chúng tôi áp dụng mô hình Langmuir – Hinshelwood với phương trình:
0
C
ln = kKt = k't
C
Với k’ là một hằng số tỉ lệ biểu thị cho mức độ chuyển hóa MB.
Hình 3.21 biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính của ln(Co/C) vào thời gian phản ứng của các mẫu g-C3N4, Cu2O và các composite g-C3N4/Cu2O có tỉ lệ tiền chất khác nhau.
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của giá trị ln(Co/C) vào thời gian t (giờ) theo mô hình
Langmuir – Hinshelwood của mẫu g-C3N4, Cu2O, g-C3N4/Cu2O-5, g-C3N4/Cu2O-10 và
g-C3N4/Cu2O-20
Kết quả quá trình xúc tác quang của các mẫu vật liệu g-C3N4, Cu2O và g-C3N4/Cu2O ở các tỉ lệ tiền chất khác nhau tuân theo mô hình Langmuir – Hinshelwood. Từ đồ thị, dễ dàng xác định được hằng số tốc độ phản ứng k tương ứng với quá trình xúc tác của từng mẫu được thống kê ở Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Hằng số tốc độ của vật liệu g-C3N4, Cu2O và g-C3N4/Cu2O-w
Vật liệu Hằng số tốc độ k Hệ số tương quan R2
g-C3N4/Cu2O-5 0,0964 0,9787
g-C3N4/Cu2O-10 0,1997 0,9901
g-C3N4/Cu2O-20 0,0753 0,9523
Cu2O 0,0354 0,9799
g-C3N4 0,0448 0,9568
Bảng 3.3 cho thấy sự phân hủy MB của các vật liệu composite tuân theo phương trình động học bậc 1, với hệ số hồi quy khá cao R2 ≥ 0,9901.
Các composite g-C3N4/Cu2O-w có tốc độ phân hủy MB cao hơn so với các mẫu g-C3N4 và Cu2O riêng lẻ. Đặc điểm này thể hiện rõ nét nhất ở mẫu g-C3N4/Cu2O-10, tốc độ phân hủy MB của mẫu này gấp 6 lần so với mẫu Cu2O và gấp 4,5 lần so với mẫu g-C3N4. Trong khi đó, tốc độ phân hủy MB của mẫu g-C3N4/Cu2O-5 gấp 2,7 lần so với mẫu Cu2O và gấp 2,2 lần so với mẫu g-C3N4 còn mẫu g-C3N4/Cu2O-20 gấp 2 lần so với mẫu Cu2O và gấp 1,7 lần so với mẫu g-C3N4. Cũng từ kết quả này cho biết, tốc độ phân hủy MB là
nhanh nhất đối với vật liệu g-C3N4/Cu2O-10 (gấp 2 lần vật liệu g-C3N4/Cu2O-5 và gần gấp 2,7 lần vật liệu g-C3N4/Cu2O-20). Kết quả này
khẳng định, composite hình thành từ tỉ lệ tiền chất g-C3N4/Cu2O-10 là tốt nhất