6. Cấu trúc luận văn
1.4. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/SnO2
Gần đây, vật liệu g-C3N4/SnO2 đã được nghiên cứu để ứng dụng trong việc xử lý môi trường nước. Việc kết hợp cả hai loại vật liệu SnO2 và g-C3N4 vừa khắc phục được nhược điểm của từng loại vật liệu riêng vừa góp phần cải thiện hoạt tính xúc tác quang, tăng hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường nước.
Zang và các cộng sự tổng hợp các hạt nano SnO2 tinh khiết bằng phản ứng thủy nhiệt và g-C3N4 tinh khiết thông qua sự phân hủy nhiệt của melamine. Các dị thể được tổng hợp theo phương pháp bay hơi dung môi theo kiểu truyền thống, sau đó nung hỗn hợp ở 400 0C trong 1 giờ. Vật liệu này bao gồm hai thành phần: g-C3N4 với một diện tích bề mặt riêng thấp và hạt
nano SnO2 với một diện tích bề mặt lớn. Trong composite này, hạt nano SnO2 phân tán tốt vào g-C3N4. Sự tương tác giữa hai hợp phần rất mạnh, điều này được xác nhận bởi năng lượng vùng cấm và các thông số mạng.
Sự tương tác hợp lực giữa hai hợp phần trong vật liệu g-C3N4/SnO2 là nhờ sự đóng góp của hiệu ứng liên hợp π-π trong g-C3N4, dẫn đến sự cải thiện đáng kể của quá trình tách electron, tạo ra từ sự tương tác giữa bề mặt tiếp xúc giữa hai hợp phần. Mặt khác, các hạt SnO2 với kích thước nanomet sẽ làm tăng diện tích bề mặt của vật liệu, nhờ đó làm tăng hiệu suất photon. Như một hệ quả, vật liệu này là một quang xúc tác hoạt động, làm tăng cường đáng kể sự phân hủy methyl orange (MO) dưới sự chiếu xạ ánh sáng khả kiến. Hiệu suất quang tối ưu đạt đến > 90 % cho thấy khả năng quang xúc tác cao hơn nhiều so với các thành phần g-C3N4 và SnO2 riêng rẽ [64].
Rong Yin và các cộng sự [39] đã tổng hợp được composite SnO2/g-C3N4 bằng phương pháp lắng đọng hỗ trợ của siêu âm với melamine là tiền chất của g-C3N4. Kết quả cho thấy các hạt nano SnO2 có kích thước 2 – 3 nm được phân tán đồng đều trên bề mặt của g-C3N4 trong vật liệu nanocomposite.
Hình 1.10. Cơ chế xúc tác quang của vật liệu biến tính SnO2/g-C3N4 [39]
liệu g-C3N4/SnO2 trong nước bằng cách hồi lưu hỗn hợp g-C3N4, SnCl4 và NaOH làm nguyên liệu ban đầu ở 96 oC trong một giờ, g-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung melamine. Để chuẩn bị vật liệu tổng hợp g- C3N4/SnO2, một lượng g-C3N4 xác định đem phân tán trong 100 mL nước cất, rung siêu âm trong 30 phút. Thêm SnCl4 và NaOH vào dung dịch trên và khuấy hỗn hợp trong 30 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó, hỗn hợp được hồi lưu ở 96 oC trong một giờ. Vật liệu g-C3N4/SnO2 tổng hợp đã được khảo sát hoạt tính quang xúc tác bằng phản ứng phân hủy thuốc nhuộm Rhodamine B dưới sự chiếu xạ ánh sáng khả kiến dẫn đến sự suy giảm đối với Rhodamine B gấp 2,1 lần và 9,3 lần so với g-C3N4 và SnO2 tinh khiết.
J. Singh và các cộng sự [44] đã tổng hợp thành công vật liệu SnO2/g- C3N4với các tỉ lệ khối lượng khác nhau bằng phương pháp hóa ướt. Kết quả cho thấy SnO2/g-C3N4-1:1 có diện tích bề mặt cao nhất (102 m2 /g), suy giảm 98,73% đối với RhB và 93,75% đối với RbX. Hơn nữa, SnO2/g-C3N4 cho thấy sự ổn định và tái sử dụng tuyệt vời qua năm chu kỳ tái sử dụng.
Chen và cộng sự chuẩn bị một vật liệu dị vòng SnO2/g-C3N4 thông qua phương pháp thủy nhiệt. RhB bị phân hủy 98,7% bởi chất xúc tác SnO2/g- C3N4 sau 100 phút dưới bức xạ ánh sáng nhìn thấy được từ đèn Xe 500Wvới bộ lọc cắt 420 nm [15].
g-C3N4/SnO2 nanocomposite đã được điều chế bằng cách đun nóng hỗn hợpcủa hạt nano SnO2 và melamine, kết quả tốc độ phân hủy RhB qua nanocomposite tối ưu hóa cao hơn 4,54 lần so với rằng trên g-C3N4 tinh khiết dưới bức xạ từ đèn halogen vonfram 300W [14].
Các hạt nano siêu mịn SnO2 với đường kính 2-4 nm được chế tạo tại chỗ trên các bề mặt của vật liệu g-C3N4 thông qua phương pháp thủy nhiệt. Sau đó, nghiền bi được áp dụng để xử lý các vật liệu tổng hợp g-C3N4/SnO2 thu được nhằm cải thiện sự phân tán của SnO2 cũng như tăng cường liên kết giữa
SnO2 và g-C3N4 [67].
Như vậy, vật liệu composite g-C3N4/SnO2 thể hiện hoạt tính xúc tác quang tốt trong vùng ánh sáng khả kiến, nó phân hủy gần như hoàn toàn các chất hữu cơ như rhodamine B, methyl orange,.... Mặc dù vậy, việc tìm kiếm các phương pháp mới để đạt được hệ vật liệu g-C3N4/SnO2 có hoạt tính xúc tác cao vẫn đang được đặt ra. Từ thực tế trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp vật liệu g-C3N4/SnO2 với kích thước nano bằng phương pháp thủy nhiệt 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.