6. Cấu trúc luận văn
1.4. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/SnO2
g-C3N4 và SnO2 có những ưu điểm và khuyết điểm riêng nên phương pháp kết hợp hai vật liệu này nhằm tạo composite g-C3N4/SnO2 để phát huy ưu điểm của cả hai vật liệu và khắc phục những nhược điểm ban đầu là hướng đi đầy hứa hẹn. Composite g-C3N4/SnO2 có hoạt tính xúc tác quang cao dưới ánh sáng mặt trời nên được sử dụng phân hủy chất hữu cơ độc hại trong xử lý nước thải.
Yiming He và cộng sự [41]đã tổng hợp thành công SnO2-x/g-C3N4 bằng cách nung g-C3N4 và Sn6O4(OH)4. Composite tổng hợp được có hiệu suất xúc tác quang cao, điều đó được chứng minh bằng sự phân hủy Rhodamine B dưới sự chiếu xạ của ánh sáng nhìn thấy. Tốc độ phân hủy Rhodamine B tối ưu của hỗn hợp là 0,088/phút, cao hơn 8,8 lần so với g-C3N4. Composite SnO2-x/g- C3N4 cũng cho thấy hoạt tính xúc tác quang cao, có thể khử CO2 và phân hủy quang của các hợp chất hữu cơ khác. Sự có mặt của SnO2-x/g-C3N4 đã làm tăng diện tích bề mặt của nó và nâng cao hiệu suất hấp thụ ánh sáng.
Quan trọng hơn, cấu trúc tiếp giáp dị thể được hình thành giữa SnO2-x và g-C3N4 thúc đẩy sự phân tách các cặp electron-lỗ trống từ đó tăng cường hoạt động quang xúc tác. Nghiên cứu này là một bước tiến quan trọng đối với việc chuyển đổi năng lượng mặt trời bằng các vật liệu tiết kiệm chi phí.
Để tìm hiểu sâu sắc hơn các tính chất lí hóa và tối ưu khả năng quang xúc tác của composite SnO2-x/g-C3N4, Kai Li và nhóm nghiên cứu [17], đã tổng hợp hợp chất nano dị liên kết SnO2-x/g-C3N4 bao gồm các hạt nano SnO2-x bị khử và các tấm nano g-C3N4 điều chế bằng phương pháp nhiệt phân một bước (one-step pyrolysis).
Các đặc tính cấu trúc, hình thái và quang học của vật liệu nanocomposite này cho thấy sự liên kết của các tấm nano g-C3N4 bị cản trở bởi các hạt nano SnO2-x, ngăn cản sự tái tổ hợp của các điện tử và lỗ trống được tạo quang. Các dải hấp thụ quang phổ tử ngoại-khả kiến của các vật liệu nano đã được chuyển sang một vùng có bước sóng dài hơn so với các tiền chất. Hoạt động xúc tác quang của vật liệu composite được khảo sát bằng cách phân hủy Rhodamine B dưới sự chiếu xạ từ nguồn sáng 30W. Kết quả, hiệu suất của composite cao hơn SnO2 tinh khiết và g-C3N4 lần lượt 32,28 và 5,79 lần.
Ngoài Yiming He và Kai Li, nhiều nhà khoa học khác cũng tổng hợp và nghiên cứu composite g-C3N4/SnO2. Một trong số đó là Jianliang Cao [42] với vật liệu g-C3N4/SnO2 được tổng hợp bằng phương pháp nung nóng các tiền chất SnCl4.5H2O và urea. Các mẫu được tổng hợp có cấu trúc hai chiều và các hạt nano SnO2 được phân tán mạnh trên bề mặt của các lớp g-C3N4. Hiệu suất cảm biến khí của vật liệu tổng hợp được tổng hợp đối với ethanol có phản ứng mạnh hơn và độ chọn lọc tốt hơn so với cảm biến dựa trên SnO2 tinh khiết.
Yanzhao Zou [43] lại có hướng đi mới mẻ, ứng dụng composite g- C3N4/SnO2 để loại bỏ NO và NO2 độc hại thay cho g-C3N4. g-C3N4/SnO2 được điều chế bằng cách thêm các chấm lượng tử SnO2 lên các tấm g-C3N4. Các kết quả thử nghiệm đã chứng minh rằng, composite g-C3N4/SnO2 có hoạt tính xúc tác quang mạnh dưới sự chiếu xạ của ánh sáng khả kiến và khả năng oxy hóa cao hơn, ức chế sự hình thành NO2. Hơn nữa, cấu trúc dị thể giữa SnO2 và g- C3N4 làm tăng sự phân tách các cặp lỗ trống điện tử dẫn đến hiệu suất loại bỏ NO bằng xúc tác quang được nâng cao. Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp hiệu quả trong việc loại bỏ NO bằng xúc tác quang và giảm nồng độ NO2
Hình 1.10. Kết quả cảm biến của SnO2 và g-C3N4/SnO2 đối với các khí khác nhau ở mật độ 500ppm, 300 OC [42]
Vật liệu composite SnO2/g-C3N4 đã được Jasminder Singh tổng hợp bằng phương pháp hóa ướt (wet chemical method) hiệu quả và tiết kiệm với urea làm tiền chất tạo g-C3N4. Vật liệu được tổng hợp theo nhiều tỉ lệ khối lượng khác nhau (SnO2:g-C3N4 = 1:5; 5:1) để nghiên cứu và so sánh. Các nghiên cứu động học đối với sự phân hủy RhB cho thấy hằng số tốc độ của chất xúc tác SnO2/g- C3N4-1:1 là cao nhất (0,0485 phút-1) và gấp 33 lần so với g-C3N4 nguyên chất. Hơn nữa, chất xúc tác quang cho thấy độ bền và độ ổn định cao trong suốt năm lần tái chế.
Hình 1.11. Sơ đồ cơ chế xúc tác quang của composite g-C3N4/SnO2 [44]
Rong Yin [8], đã tổng hợp SnO2/g-C3N4 bằng phương pháp lắng đọng siêu âm (ultrasonicassisting deposition method) với melamine làm tiền chất tạo g-
C3N4. Các hạt nano SnO2 có kích thước 2–3 nm được phân tán đồng đều trên bề mặt của g-C3N4 trong vật liệu nano SnO2/g-C3N4. Các hoạt tính xúc tác quang của các mẫu được đánh giá bằng cách theo dõi sự phân huỷ của dung dịch methyl orange dưới bức xạ của ánh sáng khả kiến (bước sóng ≥ 400 nm). Kết quả nhận được chứng tỏ hoạt tính xúc tác quang dưới ánh sáng khả kiến của vật liệu nanocomposite SnO2/g-C3N4 cao hơn so với g-C3N4 tinh khiết nhưng chỉ tăng lúc đầu và sau đó giảm khi hàm lượng g-C3N4 trong vật liệu composite tăng lên.
Như vậy, kết hợp g-C3N4 và SnO2 tạo vật liệu mới có hoạt tính xúc tác quang cao hơn trong vùng ánh sáng khả kiến là hướng đi đúng đắn. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu thực tế, cần một vật liệu tối ưu và hiệu quả hơn. Mặc khác, hoạt tính xúc tác quang của các mẫu chủ yếu được đánh giá bằng cách theo dõi sự phân huỷ của dung dịch methyl orange, rhodamine B nên việc khảo sát bằng hợp chất hữu cơ khác là cần thiết. Vì những lý do trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp vật liệu g-C3N4/SnO2 với kích thước nano bằng phương pháp nung và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu bằng phản ứng phân hủy MB trong dung dịch nước dưới điều kiện ánh sáng khả kiến.