5. Cấu trúc luận văn
1.1.3. Giới thiệu vật liệu xúc tác quang đã nghiên cứu
Những năm gần đây, nhiều vật liệu xúc tác quang như TiO2 và ZnO, được biết đến như những chất xúc tác tiềm năng cho phản ứng oxi hóa chất
hữu cơ, phản ứng phân tách nước trong vùng ánh sáng nhìn thấy [4][5] Khi được kích thích bởi một nguồn sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm thì vật liệu bán dẫn sẽ sinh ra các electron và lỗ trống quang sinh. Các electron sinh ra cư trú trên vùng dẫn, còn các lỗ trống sẽ cư trú ở vùng hóa trị của vật liệu. Sau đó, các electron và lỗ trống quang sinh sẽ di chuyển đến bề mặt của vật liệu xúc tác, tham gia vào quá trình oxi hoá nước tạo thành gốc HO• và khử O2 tạo thành O2•-. Đây là những gốc tự do có khả năng oxi hoá mạnh, sẽ tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ.
Các vật liệu xúc tác quang có thể được chia thành hai nhóm chính: nhóm vật liệu truyền thống (có năng lượng vùng cấm lớn và đã được nghiên cứu sử dụng nhiều như TiO2, ZnO,…) và nhóm vật liệu xúc tác quang mới (có năng lượng vùng cấm hẹp).
Trong đó, TiO2 là một chất bán dẫn điển hình thuộc nhóm vật liệu truyền thống có Eg = 3,2eV [4] Vật liệu truyền thống TiO2 có ưu điểm nổi trội là có thế năng vùng dẫn âm hơn thế khử của O2/O2•-, thế năng vùng hóa trị dương hơn thế oxi hóa của HO•/H2O (lần lượt là -0,4 eV và +2,8 eV). Do vậy, nếu được kích hoạt bằng ánh sáng có năng lượng thích hợp ( < 388 nm) sẽ sử dụng được cả quá trình khử ở vùng dẫn và quá trình oxi hóa ở vùng hóa trị, nhờ đó sẽ cho hiệu quả xúc tác quang phân hủy các chất hữu cơ cao. Tuy nhiên, nhóm vật liệu truyền thống nói chung và TiO2 nói riêng có nhược điểm cố hữu là năng lượng vùng cấm rộng nên chỉ bị kích hoạt trong vùng bức xạ UV, điều này làm hạn chế hoạt tính xúc tác, khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu truyền thống để xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Do vậy, cần biến tính TiO2 bằng các kim loại (V, Fe, Ag, Pt,..), phi kim loại (C, N, S,...) hoặc ghép với các chất bán dẫn khác để mở rộng khả năng ứng dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy/ánh sáng mặt trời.
Gần đây, nhóm các vật liệu xúc tác quang mới có năng lượng vùng cấm hẹp được quan tâm nghiên cứu. Ưu điểm của các vật liệu này là có thể sử dụng nguồn kích hoạt là ánh sáng nhìn thấy, đây là một thuận lợi lớn khi ứng dụng trong thực tiễn xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm. Tuy nhiên, nhược điểm chung của nhóm vật liệu xúc tác quang thế hệ mới là tốc độ tái tổ hợp nhanh của các cặp điện tử và lỗ trống quang sinh và chỉ có thế vùng dẫn phù hợp để khử O2 thành O2•- hoặc thế vùng hóa trị phù hợp để oxi hóa H2O thành HO•. Cơ chế quang xúc tác của các vật liệu bán dẫn thế hệ mới được trình bày ở Hình 1.3.
Hình 1.3. Cơ chế xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ của vật liệu bán dẫn mới
Trong số các vật liệu bán dẫn thế hệ mới, các hợp chất bán dẫn dạng muối vanadate của nhiều kim loại khác nhau đã nhận được sự quan tâm, chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới do có năng lượng vùng cấm hẹp, có độ bền hóa học và độ bền nhiệt cao, giá thành tổng hợp thấp. Cụ thể, nhiều hợp chất bán dẫn dạng muối vanadate như: Zn2(VO4)3, BiVO4, CeVO4 và FeVO4,… đã được nghiên cứu, ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ, khử CO2 trong vùng ánh
sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhìn [6,7,8,9]. Trong số đó, BiVO4 với năng lượng vùng cấm hẹp, khoảng 2,4 eV (dạng monoclinic) cũng đã thu hút được sự chú ý rất lớn từ các nhà khoa học và được kỳ vọng sẽ là một trong những chất có thể thay thế chất xúc tác quang truyền thống TiO2 do hoạt tính quang xúc tác của nó cao dưới ánh sáng nhìn thấy, có giá thành thấp, quy trình tổng hợp đơn giản và thân thiện với môi trường.