6. Cấu trúc luận văn
1.2.2. Phương pháp tổng hợp và tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xúc
quang của g-C3N4
Quá trình tổng hợp cơ bản của g-C3N4 là quá trình nhiệt phân các tiền chất của nó với các phương pháp khác nhau [17], chẳng hạn như lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition), điều áp (pressurizing), tạo khuôn (templating), pha tạp (doping),…
Hình 1.5 trình bày quá trình tổng hợp g-C3N4 chủ yếu là được thực hiện bằng cách sử dụng các tiền chất có chứa cấu trúc lớp C-N được liên kết trước, chẳng hạn như dicyandiamide, melamine và các chất dị vòng liên quan.
Tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng vật liệu khác nhau với mức độ ngưng tụ và tính chất khác nhau có thể thu được. Ví dụ: năng lượng vùng cấm của g-C3N4 đi từ các tiền chất khác nhau sẽ dao động từ 2,58 đến 2,89 eV [20]. Cấu trúc được hình thành đầu tiên là polymer C3N4 (melon) với các nhóm amino vòng là một polymer có độ trật tự cao. Phản ứng tiếp tục dẫn đến những loại C3N4 đặc khít hơn và ít khiếm khuyết, dựa trên các đơn vị s-triazine (C6N7) như các kiến trúc cơ bản. Kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao chứng tỏ đặc tính của những loại ngưng tụ có không gian hai chiều rộng hơn.
Kouvetakis và cộng sự đã phân hủy tiền chất là dẫn cuất melamine ở nhiệt độ 400-500 oC để thu được một carbon nitride vô định hình với các thành phần cấu tạo chính xác và các đỉnh graphite được xếp rõ ràng. Nhiều công trình nghiên cứu khác về phương pháp tổng hợp g-C3N4 từ các chất giàu nitơ khác cũng đã được công bố [5].
Vật liệu g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt tiền chất melamine ở 520 oC trong không khí, cho thấy rõ ràng sự hình thành và phân hủy của g-C3N4 liên quan đến chuỗi các giai đoạn [21].
Dyacyamide được sử dụng như là chất nguồn và thúc đẩy sự chuyển hóa nhanh chóng hơn để tăng hiệu quả trong quá trình trùng hợp [5].
Gần đây, g-C3N4 đã thu hút nhiều sự chú ý do có khả ứng dụng làm xúc tác quang phân tích nước tinh khiết và phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm dưới ánh sáng khả kiến. Vật liệu này có nhiều lợi thế như có vùng cấm khoảng 2,7 eV, tương ứng với bước sóng 460 nm, làm cho nó hoạt động dưới ánh sáng khả kiến. Khả năng sản xuất với quy mô lớn và không độc hại [22].
Tuy nhiên, vật liệu g-C3N4 thể hiện hiệu quả quang xúc tác thấp do tốc độ tái tổ hợp electron – lỗ trống quang sinh cao. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều phương pháp đã được áp dụng để biến tính g-C3N4 như tổng hợp g-C3N4
dưới dạng cấu trúc mao quản [23], kết hợp g-C3N4 với các vật liệu khác bằng cách pha tạp hoặc ghép kĩ thuật [24], [25], tạo vật liệu composite [9], [26], [27]... Những vật liệu này cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác. Ví dụ như các hợp chất biến tính g-C3N4/ZnO [7], g-C3N4/SnO2 [8], g-C3N4/ZnWO4 [9]… có hoạt tính cao hơn so với các hợp phần riêng lẻ.
Y. Jiang và các cộng sự [28] đã tổng hợp thành công vật liệu composite Ta3N5/g-C3N4. Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, vật liệu Ta3N5/g-C3N4
tổng hợp có khả năng hấp thụ tốt ánh sáng nhìn thấy và làm chậm lại quá trình tái tổ hợp cặp electron và lỗ trống quang sinh. Vật liệu composite Ta3N5/g-C3N4
với tỉ lệ khối lượng của Ta3N5/g-C3N4 là 2% có hoạt tính quang xúc tác cao được đánh giá qua sự phân hủy RhB. Cụ thể, trong nghiên cứu này hiệu suất phân hủy RhB của vật liệu composite Ta3N5/g-C3N4 đạt 94,43% cao gấp 2,71 lần so với g-C3N4 tinh khiết.
Wang và đồng nghiệp đã điều chế g-C3N4 (MCN) và g-C3N4 không biến tính pha tạp bằng lưu huỳnh (TCN) qua nhiệt phân melamine và thiourea dễ dàng ở 520 °C. Kết quả là hoạt tính quang xúc tác của TCN đối với CO2 sự khử thành CH3OH cao hơn xấp xỉ 2,5 lần so với MCN [29].
Vật liệu tổng hợp dựa trên g-C3N4 có tiềm năng lớn để khử trùng bằng xúc tác quang đối với vi sinh vật. Tác dụng diệt khuẩn của g-C3N4 đối với nước
ô nhiễm (E. coli) lần đầu tiên được phát hiện bởi Huang và cộng sự [30] dưới sự chiếu sáng của ánh sáng. Nghiên cứu này đã giới thiệu một kỹ thuật sử dụng chất xúc tác quang không chứa kim loại để khử trùng vi khuẩn, có thể được kích hoạt bằng ánh sáng mặt trời.
Từ những nghiên cứu nền tảng đó, với mong muốn được góp một phần nhỏ trong việc tạo ra vật liệu xúc tác quang tốt hơn chúng tôi tiến hành điều chế vật liệu composite từ g-C3N4 với chất bán dẫn khácđể tạo vật liệu mới có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến cho phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước.