Tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu TiO2/g-C3N4 tương tự như vật liệu TiO2/graphen được trình bày trong mục 3.1.1.2 với sự phân hủy của dung dịch RhB nồng độ 30 mg/L dưới ánh sáng của đèn sợi đốt 220 V – 60 W. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/C0 theo thời gian được thể hiện ở các Hình 3.25.
Hình 3.25. Sự phân hủy RhB bởi TiO2 (a), g-C3N4 (b) và composite TiO2/g-C3N4
ứng với nồng độ TiCl4: 0,25 (c), 0,5 (d), 1,5 (e) và 1,0 M (g)
Kết quả cho thấy sau 6 giờ chiếu đèn, hiệu suất chuyển hóa RhB của các mẫu TiO2/g-C3N4 tăng dần khi nồng độ TiCl4 tăng từ 0,25 M đến 1,0 M và sau đó giảm ở nồng độ 1,5 M. Cụ thể các mẫu vật liệu composite cho hiệu suất phân hủy lần lượt là 56,9%, 61,7%, 78%, 71% tương ứng với nồng độ TiCl4 0,25 M, 0,5 M, 1,0 M và 1,5 M. Như vậy, mẫu composite TiO2/g-C3N4 có khả năng phân huỷ RhB tốt nhất mẫu có nồng độ TiCl4 1,0 M tương ứng với % khối lượng TiO2 khoảng 12,85%.
Để so sánh tốc độ phân hủy của dung dịch RhB bằng các chất xúc tác quang
khác nhau, động học của phản ứng quang xúc tác đã được nghiên cứu theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.
Đồ thị động học của phản ứng trên các mẫu xúc tác được thể hiện trong Hình 3.26(a). Từ phương trình động học, các giá trị kapp có thể được tính từ quan hệ tuyến tính phù hợp với các sơ đồ động học, được trình bày trong Hình 3.26 (b) và Bảng 3.7. Như vậy, tốc độ phân hủy RhB của các vật liệu tuân theo phương trình bậc 1. Tốc độ phân hủy RhB của các vật liệu TiO2/g-C3N4 ở nồng độ TiCl4 1,0 M, 1,5 M, 0,5 M và 0,25 M gấp tốc độ phân hủy của g-C3N4 tương ứng là 2; 1,67; 1,32; 1,13 lần và gấp tốc độ phân hủy của TiO2 tương ứng là 6,3; 5,3; 4,2 và 3,6 lần.
(a) (b)
Hình 3.26. Mô hình động học Langmuir - Hinshelwood áp dụng cho xúc tác TiO2 (a), g-C3N4 (b) và composite TiO2/g-C3N4 ứng với nồng độ TiCl4: 0,25 (c), 0,5 (d), 1,5 (e) và 1,0 M (g) và giá trị Kapp tương
ứng.
Bảng 3.7. Giá trị hằng số kapp của phương trình động học bậc 1 của quá trình phân huỷ RhB của vật liệu TiO2/g-C3N4
Vật liệu
g-C3N4
Tỉ lệ giữa 2 hợp phần TiO2/g-C3N4 giữ vai trò quan trọng đến tính chất xúc tác của vật liệu bởi vì hoạt tính xúc tác mạnh của TiO2/g-C3N4 được quyết định bởi 3 yếu tố chính: (i) năng lượng vùng cấm, (ii) diện tích bề mặt (số tâm hoạt động), (iii) khả năng giảm tái kết hợp của lỗ trống và electron quang sinh [146][147][136] [148]. Năng lượng vùng cấm của TiO2/g-C3N4 giảm khi tăng hàm lượng g-C3N4 trong composite [139] [136]. TiO2/g-C3N4 tổng hợp được tương ứng % khối lượng TiO2 0,35%, 3,38%, 12,85% và 21,25% có giá trị năng lượng vùng cấm lần lượt là 2,73; 2,80; 3,0; 3,03 eV. Như vậy, với hàm lượng TiO2 lớn (21,25%), TiO2/g-C3N4 với nồng độ tiền chất ban đầu TiCl4 1,5 M có hoạt tính xúc tác thấp hơn mẫu ở nồng độ 1,0 M vì năng lượng vùng cấm lớn hơn (3,03 eV). Hơn nữa, khi lượng TiO2 quá lớn, dễ xảy ra hiện tượng kết tụ tạo đám hạt TiO2 có kích thước lớn, giảm sự phân tán của TiO2 trên nền g-C3N4, từ đó giảm hoạt tính xúc tác của vật liệu [146]. Tuy nhiên, với hàm lượng TiO2 quá nhỏ, tức lượng g-C3N4 quá lớn ứng với composite TiO2/g-C3N4
ở nồng độ TiCl4 0,25 M và 0,5 M, mặc dù khi đó composite tạo thành có năng lượng vùng cấm nhỏ 2,73 eV và 2,80 eV tương ứng, nhưng sự có mặt quá nhiều lượng g-C3N4 không chỉ làm giảm diện tích bề mặt của vật liệu composite mà còn phá huỷ cấu trúc dị thể giữa g-C3N4 và TiO2, khi đó composite có tính chất gần với g-C3N4
nguyên chất, dẫn đến tính chất xúc tác kém [136]. Như vậy, từ kết quả thực nghiệm cho thấy, nồng độ TiCl4 thích hợp để tổng hợp vật liệu TiO2/g-C3N4 có hoạt tính xúc tác tốt là 1,0 M, tương ứng với % khối lượng TiO2 trong composite là 12,85%. Chúng tôi dùng kết quả này cho quá trình tổng hợp vật liệu TiO2/g-C3N4-graphen tiếp theo.