4. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
1.4. Giới thiệu vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O 4/graphen và ứng dụng
Việc kết hợp giữa CoFe2O4 và graphen cũng nhƣ vật liệu trên cơ sở graphen
nh m tạo ra vật liệu mới cĩ nhiều tính năng, ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của khoa học cơng nghệ đƣợc quan tâm. Đặc biệt thời gian gần đây các nhà khoa học quan tâm nghiều cứu vật liệu lai ghép chất bán dẫn g-C3N4 và CoFe2O4-rGO ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang hĩa.
Nhiều nhĩm nghiên cứu đã kết hợp một số phƣơng pháp oxi hĩa nâng cao (AOPs) để xử lý các chất ơ nhiễm hữu cơ cho kết quả rất khả quan. Fu et al. [24] đã
nghiên cứu phản ứng xúc tác quang hĩa trên vật liệu nanocomposite CoFe2O4/rGO
(với 40 % of GO) nh m xử lý thuốc nhuộm hoạt tính. Cơ chế của quá trình oxi hĩa
nâng cao (AOPs) là tạo ra các gốc tự do cĩ hoạt tính cao, các gốc tự do •OH phản
ứng nhanh và khơng chọn lọc với hầu hết các hợp chất hữu cơ giàu gốc điện tích. Các kỹ thuật này cĩ thể kết hợp với tia UV và các chất xúc tác khác nhau để tạo ra
các gốc tự do •OH. Phổ biến nhất là sử dụng các chất khử Fenton. Quá trình oxi hĩa
nâng cao (AOPs) đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ khĩ phân hủy trong nƣớc thải.
Các hƣớng nghiên cứu gần đây đã cho thấy khả năng xúc tác quang hĩa tuyệt vời của hệ vật liệu lai tổ hợp rGO/Fe2O3/g-C3N4 trong việc xử lý kháng sinh tetracycline và ciprofloxacin [25]. Với cấu trúc độc đáo của rGO, do cĩ chứa một số nhĩm hoạt động trên bề mặt khi đĩ sẽ tăng cƣờng khả năng tƣơng tác với các hợp chất hữu cơ/ vơ cơ khác để tạo thành nanocomposites lai [49], [20]. Sự hình thành vật liệu lai ghép với mục đích là làm giảm khả năng tái tổ hợp của electron quang sinh, tăng khả năng quang xúc tác của vật liệu. Các vật liệu composite đƣợc tạo thành khi lai ghép giữa một chất bán dẫn với một chất bán dẫn khác cĩ năng lƣợng vùng cấm nhỏ hơn năng lƣợng vùng cấm của nĩ và cĩ thế năng vùng dẫn cao hơn, nĩi chung các composite này đều cĩ đỉnh và bờ hấp thụ ánh sáng trên phổ hấp thụ UV-Vis n m trong vùng khả kiến, do đĩ, hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ ơ
nhiễm của chúng cao hơn nhiều so với từng hợp phần riêng lẻ. Khi chúng kết hợp với nhau, hợp phần biến tính đĩng vai trị nhƣ nguồn sản sinh electron và lỗ trống, rGO đĩng vai trị là nơi tích tụ, hạn chế tự tái kết hợp của các electron và lỗ trống đƣợc sinh ra bởi hợp phần biến tính, và cung cấp thế phù hợp để các electron quang sinh cĩ thể dễ dàng phản ứng với các phân tử oxi thành •O2-. Điều này dẫn đến hoạt tính xúc tác của các composite cao hơn từng chất hợp phần riêng rẻ [17], [44], [41].
Một nghiên cứu khác đã cơng bố về vật liệu quang xúc tác nanocomposite cấu trúc mao quản g-C3N4/AgBr/rGO ứng dụng để xử lý kháng sinh TC và 2,4- dichlorophenol [68].
Hình 1. 12. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu g-C3N4/ AgBr/ rGO
Hệ xúc tác dị thể GCN/ AgBr/ rGO tổng hợp thành cơng b ng cách đƣa AgBr/ g- C3N4 cấu trúc xốp (GCN) lên bề mặt oxit graphene dạng khử (rGO) (hình 1.12). Trong GCN / AgBr / rGO, GCN với vai trị là chất xúc tác quang bán dẫn cĩ cấu trúc xốp, các hạt AgBr phân tán lên GCN; rGO cĩ vai trị thúc đẩy quá trình chuyển điện tử trên bề mặt. Những electron quang sinh khi di chuyển trên bề mặt graphen
bị oxi hấp phụ hịa tan trên bề mặt săn bắt lấy và khử phân tử O2 trên bề mặt, tạo
thành gốc •O2-, sau đĩ phản ứng với H2O tạo thành gốc tự do •OH. Chính gốc tự do •OH đƣợc tăng thêm này gĩp phần làm tăng thêm hiệu quả quá trình phân hủy. Đồng thời nhờ vào sự khơng đồng nhất đƣợc hình thành giữa GCN và AgBr, dẫn đến sự giảm nhanh khả năng tái kết hợp giữa electron quang sinh và lỗ trống quang sinh. Nanocomposite GCN / AgBr / rGO thể hiện xúc tác quang tuyệt vời, hiệu suất phân hủy tetracycline (TC) lên tới 78,4% trong vịng 90 phút và 2,4-dichlorophenol
(2,4-DCP) là 68,2% trong vịng 6 giờ. Tốc độ quang xúc tác của composite GCN/ AgBr/ rGO cao hơn GCN, AgBr / g-C3N4 cũng nhƣ g-C3N4 trong phản ứng phân hủy TC do hiệu quả chuyển điện tích của composite cao hơn các hợp phần riêng rẻ. Hơn nữa, GCN / AgBr / rGO cho thấy độ ổn định quang xúc tác cao, sau bốn lần hồn nguyên hoạt tính quang xúc tác thay đổi khơng đáng kể....
Qua đĩ cĩ thể thấy các nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học khơng chỉ tập trung cải thiện hoạt tính các hệ quang xúc tác cĩ thể hoạt động tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy mà cịn quan tâm đến khả năng thu hồi, tái sử dụng của các hệ vật liệu này.