6. Cấu trúc luận văn
3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ và đánh giá hoạt tính xúc
quang
Thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ của các mẫu vật liệu composite tổng hợp ở các tỉ lệ khối lượng g-C3N4 và SnO2 khác nhau được trình bày ở Hình 3.13A
Hình 3.13. (A)-Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ của các vật liệu đối với dung dịch MB, (B)-Đồ thị sự phụ thuộc C/C0 của dung dịch MB theo thời
gian chiếu sáng của mẫu không có xúc tác, SnO2, g-C3N4 và composite g-C3N4/SnO2- 1:1, g-C3N4/SnO2-1:3, g-C3N4/SnO2-1:5
(mxt = 0,03 g, nồng độ MB 5 mg/L; đèn LED-30W)
Kết quả ở Hình 3.13A cho thấy, dung lượng hấp phụ MB của các mẫu vật liệu composite tăng trong 120 phút đầu, sau 120 phút hầu như dung lượng hấp phụ không thay đổi. Với cách tiến hành tương tự, g-C3N4 và SnO2 đạt cân bằng hấp phụ trong 60 phút (Phụ lục 6). Như vậy, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu composite là 120 phút, của vật liệu g-C3N4 và SnO2 là 60 phút. Nồng độ của dung dịch MB tại thời điểm 120 phút được chọn là C0 – nồng độ bắt đầu để khảo sát hoạt tính xúc tác quang đối với các mẫu vật liệu này.
Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB nồng độ 5 mg/L dưới sự chiếu xạ của đèn LED-30W của các vật liệu g-C3N4/SnO2-1:1, g-C3N4/SnO2-1:3, g-C3N4/SnO2- 1:5 được so sánh với các vật liệu tiền chất là g-C3N4, SnO2 và mẫu không có xúc tác (ở cùng điều kiện khảo sát), kết quả được trình bày ở Hình 3.13B.
Từ Hình 3.13B cho thấy, mẫu g-C3N4/SnO2-1:3 có hoạt tính xúc tác cao nhất. Sau 7 giờ chiếu sáng, sự phân hủy methylene blue trên mẫu này đạt 89,88%, giá trị này cao hơn nhiều so với mẫu g-C3N4/SnO2-1:5 (đạt 58.69%) mẫu g-C3N4/SnO2-1:1 (đạt 39.94%).
Kết quả này cho thấy rằng, vật liệu composite có hoạt tính quang xúc tác vượt trội so với vật liệu tiền chất SnO2 và g-C3N4 riêng lẻ. Điều này là do tác dụng hiệp trợ của g-C3N4 và SnO2 đã làm tăng hoạt tính xúc tác của vật liệu composite. Sự hiện diện của SnO2 trong composite g-C3N4/SnO2 đã khắc phục được nhược điểm tái kết hợp electron – lỗ trống quang sinh thường xảy ra đối với chất bán dẫn tinh khiết g-C3N4, vì vậy làm tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composite.
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, mô hình Langmuir – Hinshelwood được áp dụng bằng 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 3.14 biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính của ln(C0/C) vào thời gian phản ứng của các mẫu SnO2, g-C3N4 và composite g-C3N4/SnO2.
Từ đồ thị ở Hình 3.14 cho thấy, các giá trị trong đồ thị gần như tuyến tính và nằm trên đường thẳng. Sự phân hủy MB của các vật liệu tuân theo phương trình động học bậc 1, với hệ số hồi quy khá cao R2 ≥ 0,99411.
Từ việc vẽ đồ thị, dễ dàng xác định được hằng số tốc độ phản ứng k’ tương ứng với quá trình xúc tác của từng mẫu vật liệu được thống kê ở bảng 3.4.
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của giá trị ln(C0/C) vào thời gian t (giờ) theo mô hình Langmuir – Hinshelwood của các mẫu SnO2, g-C3N4 và composite g-C3N4/SnO2-1:1,
g-C3N4/SnO2-1:3, g-C3N4/SnO2-1:5
Bảng 3.4. Hằng số tốc độ của vật liệu SnO2, g-C3N4 và g-C3N4/SnO2 ở các tỉ lệ Vật liệu Hằng số tốc độ k Hệ số tương quan R2
g-C3N4/SnO2-1:3 0,30376 0,9973 g-C3N4/ SnO2-1:5 0,1239 0,99888 g-C3N4/ SnO2-1:1 0,06837 0,98933 g-C3N4 0,04763 0,99945 SnO2 0,03895 0,99411
Từ các giá trị k cho biết, composite g-C3N4/SnO2 có tốc độ phân hủy MB nhanh gấp nhiều lần so với các mẫu SnO2, g-C3N4 riêng lẻ và các mẫu composite với các tỉ lệ khác. Cụ thể, tốc độ phân hủy MB bởi mẫu g- C3N4/SnO2-1:3 gấp 7,8 lần so với mẫu SnO2, gấp 6.38 lần so với mẫu g-C3N4
và gấp 4,44 lần so với mẫu g-C3N4/SnO2-1:1, gấp 2,45 lần so với mẫu g- C3N4/SnO2-1:5. Kết quả này một lần nữa khẳng định việc tổng hợp thành công
composite g-C3N4/SnO2-1:3 đã cải thiện hoạt tính quang xúc tác so với các vật liệu riêng lẻ và các mẫu composite với các tỉ lệ khối lượng khác.
Như vậy, tác dụng hiệp trợ của hai thành phần SnO2 và g-C3N4 trong composite g-C3N4/SnO2 đã làm tăng cường đáng kể hiệu suất quang xúc tác của composite này trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Từ các kết quả đạt được thì mẫu composite g-C3N4/SnO2 với tỉ lệ khối lượng g-C3N4 và SnO2 là 1:3 được chọn để khảo sát các yếu tố thực nghiệm.