7. Cấu trúc luận văn
3.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu
Đánh giá hoạt tính xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu g-C3N4 và x- OCN dưới ánh sáng đèn led đã được tiến hành. Ở nghiên cứu này, ánh sáng đèn led 220V – 30W của hãng Duhal được lựa chọn để làm nguồn kích thích quang. Để xác định vùng quang phổ, đồ thị phổ hấp thụ của đèn led này đã được đo ở trường Đại học K.U Leuven, Vương quốc Bỉ và được trình bày ở hình 3.23.
Hình 3.23. Phổ hấp thụ của đèn led Duhal 220V-30W
Dựa vào đồ thị ở hình 3.23, bước sĩng cực đại của đèn led được xác định là 450,16 nm và phổ thu được cho thấy đèn led này phát quang mạnh trong vùng bước sĩng ánh sáng khả kiến từ 415 nm – 720 nm. Như vậy, bước sĩng cực đại của đèn led này nhỏ hơn bước sĩng g của mẫu g-C3N4 và x-OCN.
Do đĩ, chúng tơi đã lựa chọn đèn led 220V – 30W của hãng Duhal với bước sĩng 450,16 nm để dùng làm nguồn kích thích quang cho hệ xúc tác quang với vật liệu g-C3N4 và x-OCN.
Trong nghiên cứu này, chúng tơi đánh giá hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu g-C3N4 và x-OCN với x = 20, 40, 60, 80, 100, 120 qua sự phân hủy RhB trong nước với nồng độ dung dịch RhB 30 mg/l và khối lượng chất xúc tác 0,12 g bằng ánh sáng led 220V-30W cĩ bước sĩng cực đại 450,16 nm. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác quang được trình bày ở bảng 3.7.
Bảng 3.7. Giá trị C/Co của RhB theo thời gian chiếu sáng t (phút) của mẫu g-C3N4 và x-OCN với x = 20, 40, 60, 80, 100, 120 Thời gian (phút) C/Co Khơng xúc tác g-C3N4 x-OCN x = 20 40 60 80 100 120 0 1 1 1 1 1 1 1 1 20 0.9868 0.9324 0.8520 0.7901 0.8009 0.8852 0.8712 0.9025 40 0.9857 0.8464 0.7186 0.6471 0.6541 0.7868 0.7430 0.8240 60 0.9734 0.7702 0.6365 0.4796 0.5336 0.6899 0.6558 0.7340 80 0.9875 0.7030 0.5378 0.3594 0.4566 0.5999 0.5673 0.6532 100 0.9626 0.6286 0.4225 0.2059 0.3016 0.4984 0.4842 0.5738 120 0.9772 0.5516 0.3447 0.1291 0.2121 0.4254 0.3983 0.5045 140 0.9648 0.4739 0.2788 0.0597 0.1143 0.3201 0.3186 0.4369
Để loại trừ khả năng chất màu RhB bị phân hủy bởi ánh sáng đèn led 220V-30W của hãng Duhal cĩ bước sĩng 450,16 nm, thí nghiệm khảo sát độ bền quang của RhB trong nước sau 140 phút chiếu đèn đã được chúng tơi khảo sát. Kết quả thu được đã cho thấy nồng độ RhB trong nước thay đổi khơng đáng kể khi chiếu sáng bởi đèn led này. Điều đĩ chứng tỏ RhB trong nước khơng bị quang phân hủy khi được chiếu sáng bằng đèn led 220V – 30W cĩ bước sĩng 450,16 nm.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/Co theo thời gian được thể hiện ở hình 3.24, kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các mẫu vật liệu đã cho thấy các mẫu x-OCN cĩ khả năng phân hủy RhB trong nước cao hơn so với g-C3N4. Quan sát bảng 3.8, hiệu xuất phân hủy của RhB trong nước (tính theo %) ở các mẫu được sắp xếp theo chiều tăng dần như sau: g-C3N4 < 120-OCN < 100-OCN < 20-OCN < 60-OCN < 40-OCN. Sau thời gian xúc tác quang 2 giờ 20 phút, vật liệu 40-OCN cho hiệu suất phân hủy của RhB cao nhất là 94%; gấp 1,77 lần so với g-C3N4.
Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/Co theo thời gian g-C3N4 và x-OCN Bảng 3.8. Hiệu suất xúc tác quang phân hủy RhB của các mẫu g-C3N4 và x-OCN
STT Mẫu vật liệu Phần trăm chuyển hĩa RhB (%)
0 Khơng chất xúc tác 2 1 g-C3N4 52 2 20-OCN 72 3 40-OCN 94 4 60-OCN 88 5 80-OCN 68 6 100-OCN 68 7 120-OCN 56
Đánh giá ảnh hưởng của chất xúc tác quang đến sự phân hủy RhB và tiến trình phản ứng phân hủy RhB cĩ thể diễn ra trong hệ xúc tác quang, phổ UV- Vis lỏng ở 3 lần khảo sát khác nhau của dung dịch RhB khi chiếu sáng với chất xúc tác 40-OCN được trình bày ở hình 3.25.
Hình 3.25. Phổ UV-Vis của RhB theo thời gian chiếu sáng bằng đèn led cĩ bƣớc sĩng 450,16 nm và mẫu 40-OCN: lần 1 (I), lần 2 (II), lần 3 (III)
Quan sát phổ UV-Vis của RhB trong nước ở hình 3.25, đỉnh pic cực đại hấp thụ của dung dịch giảm dần sau khi 20 phút chiếu sáng và bắt đầu xuất hiện sự dịch chuyển về phía bước sĩng ngắn từ 553 nm đến 500 nm sau 40 phút chiếu sáng. Theo Wang và cộng sự, hiện tượng này là kết quả của sự hình thành một loạt các sản phẩm trung gian N-deethyl của rhodamine. Trong giai đoạn đầu của quá trình xúc tác quang phân hủy RhB với mẫu 40-OCN dưới ánh sáng đen led cĩ bước sĩng 450,16 nm, bốn nhĩm ethyl của RhB
được loại bỏ từ từ cho đến khi chuyển hĩa hồn tồn thành rhodamine (ở hình 3.24) và xuất hiện sự dịch chuyển xanh của đỉnh hấp thụ RhB từ 553nm đến 498nm. Sau 140 phút, cấu trúc vịng liên hợp của rhodamine bị phá hủy, dẫn đến giảm mạnh giá trị mật độ quang nhưng khơng cĩ dịch chuyển đỉnh hấp thụ cực đại. Kết quả này hồn tồn phù hợp với các nghiên cứu đã được cơng bố trước đây.
Sau khi N-deethyl hĩa, sự phân cắt của nhĩm gây màu C=N của RhB ở 553 nm tiếp tục diễn ra và hình thành các chất trung gian đơn giản hơn như axit benzonic và phenol. Con đường phân hủy hồn tồn RhB thơng qua bốn quá trình: Sự chuyển nhĩm ethyl sang hợp phần khác hay sự N-deethy hĩa, phân cắt nhĩm gây màu, mở vịng và khống hĩa. Như vậy, hệ xúc tác quang 40-OCN bằng đèn led cĩ bước sĩng 450,16 nm cĩ thể đã phân hủy hồn tồn RhB thành sản phẩm vơ cơ đơn giản như CO2, H2O, NO3-, NH4+ [72]. Qúa trình phân hủy hồn tồn RhB được mơ tả qua các giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Sự N-deetyl hĩa 539 nm 498 nm 553 nm
- Giai đoạn 2: Phân cắt nhĩm mang màu
- Giai đoạn 3: Sự mở vịng
- Giai đoạn 4: Hình thành sản phẩm vơ cơ đợn giản và khống hĩa
Hình 3.26. Các giai đoạn phân hủy RhB bằng hệ xúc tác quang 40-OCN [84][85]
Mặt khác, quá trình phân hủy RhB cĩ thể biễn diễn theo phương trình sau: N, N, N’, N’’-
tetraetyl rhodamine hay RhB (max= 553 nm)Sự deethyl hóa N, N, N-triethylated rhodamine (max= 539 nm)Sự deethyl hóa N, N-diethylated rhodamine (max = 522 nm) Sự deethyl hóa N-ethylated rhodamine (max = 510 nm) Sự deethyl hóa Rhodamine (max= 498 nm) CO2 + H2O + ...
Kết quả này đã chứng minh rằng oxy pha tạp vào g-C3N4 đã nâng cao hoạt tính xúc tác quang nhờ thu hẹp năng lượng vùng cấm Eg giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, hình thành mức pha tạp nằm dưới mức CB đã làm hạn chế sự tái tổ hợp của electron – lỗ trống quang sinh.