7. Bố cục của luận văn
1.2.3. Vật liệu composite SnO2/r-GO
Với những thách thức về năng lƣợng và môi trƣờng đã khiến các nhà nghiên cứu khám phá các vật liệu thông minh tiên tiến mới không tốn kém, ổn định và hoạt động cao. Về vấn đề này, chất bán dẫn oxide kim loại là vật liệu đầy hứa hẹn, đặc biệt là trong lĩnh vực suy thoái chất xúc tác quang hóa chất độc hại và cũng để sản xuất hydrogen từ phản ứng tách nƣớc [57]. Trong công việc nghiên cứu hiện tại, một số nghiên cứu chế tạo để sử dụng Tin (IV) oxide loại n (SnO2) làm chất xúc tác quang có bandgap là ~ 3,6 eV. SnO2 có cấu trúc tinh thể rutile, SnO2 tinh khiết là chất cách điện và vốn dĩ đƣợc tạo ra các khuyết tật nhƣ chỗ trống oxygen (V0) làm cho nó trở thành chất bán dẫn loại n. Mặc dù SnO2 đƣợc sử dụng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học, hoạt tính quang xúc tác của nó ít đƣợc khám phá hơn. Cấu trúc tinh thể của SnO2 rất giống với cấu trúc tinh thể rutile của TiO2, một chất quang xúc tác phổ biến. Tính linh động của các electron và lỗ trống trong mạng tinh thể rutile cao do sự chia sẻ góc của các đơn vị bát diện [58]. Các phản ứng quang học liên quan đến SnO2 ít đƣợc nghiên cứu hơn so với TiO2 do độ rộng vùng cấm của nó cao hơn, SnO2 cho thấy điện trở thấp với độ trong suốt quang học cao trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy. Đó là một vật liệu tiết kiệm năng lƣợng cao vì nó phản xạ ánh sáng hồng ngoại. SnO2 đƣợc biết là thể hiện các thành phần bề mặt khác nhau so với mạng tinh thể khối của nó. Thành phần bề mặt có thể đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi các điều kiện chuẩn bị nhƣ pH, nhiệt độ ủ và nồng độ của các chất phản ứng. Ion Sn có thể thể hiện hóa trị kép (Sn4+ & Sn2+) dựa trên thành phần oxi trong mạng tinh thể. Hóa trị của các ion Sn trên bề mặt có thể khác nhau do liên kết không bão hòa hoặc liên kết bị phá vỡ so với hóa trị của các ion Sn trong mạng tinh thể khối [59]. SnO2 chỉ hoạt động dƣới tia UV do độ rộng vùng cấm rộng (3,6 eV) và việc sử dụng nó dƣới ánh sáng khả kiến bị hạn chế rất nhiều. Việc sử dụng năng lƣợng mặt
trời là một trong những mục tiêu chính của xúc tác quang và quá trình này sẽ có tác động lớn hơn đến việc thƣơng mại hóa phản ứng phân hủy quang xúc tác. Những nỗ lực đáng kể đã đƣợc thực hiện để cải thiện hoạt tính quang xúc tác của SnO2 dƣới sự chiếu sáng của ánh sáng khả kiến [60–66]. Trong các nghiên cứu hiện tại về sửa đổi bề mặt của SnO2 bằng cách neo các oxide graphene hai chiều (2D) đã khử (r-GO) để bắt đầu quá trình nhạy sáng và cũng để mở rộng thời gian tồn tại của các hạt mang điện tích đƣợc tạo quang. Cấu trúc tinh thể 2D của graphene có thể đƣợc mô tả là bao gồm một lớp vòng thơm 6 cạnh có chứa các nguyên tử carbon đƣợc sắp xếp theo mô hình của mạng lƣới mật ong kéo dài vô hạn. Graphene oxide giàu oxygen (GO) sở hữu các nhóm hydroxyl và epoxide trên mặt phẳng của chúng làm cho nó có tính ƣa nƣớc mạnh. Giảm một phần các nhóm đặc trƣng của GO có thể dẫn đến sự hình thành r-GO bằng cách giảm số lƣợng nhóm hydroxyl và epoxide trên bề mặt của nó [64]. Vật liệu r-GO đƣợc biết đến là có diện tích bề mặt riêng cao, độ bền cơ học và độ dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Các đặc tính điện tử của r-GO phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau nhƣ mức độ giảm, số lớp, cấu trúc cạnh, khuyết tật gợn sóng và pha tạp v.v., [65]. Mục đích của nghiên cứu hiện tại là nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của composite SnO2/r-GO trong vùng ánh sáng nhìn thấy và khả năng thu hồi cũng nhƣ tái sử dụng của vât liệu này.
Trong quá trình nghiên cứu, về mặt hóa học graphene oxide dạng khử có thể đƣợc khử bởi các ion kim loại để tạo thành vật liệu tổng hợp graphene- kim loại-oxit tại chỗ bao gồm các hạt nano oxit graphene và oxit kim loại. Các vật liệu tổng hợp thể hiện cấu trúc phân lớp với các hạt nano đƣợc rải rác trên bề mặt của oxit graphene đã khử. Sự hiện diện của các tấm graphene giảm đã tăng cƣờng đáng kể hoạt động quang xúc tác của các oxit kim loại đối với sự phân hủy RhB dƣới bức xạ ánh sáng nhìn thấy vì sự phân tách và
chuyển điện tích hiệu quả, SnO2/r-GO thể hiện hoạt tính quang xúc tác tốt hơn P25 và TiO2/r-GO do tính dẫn điện tốt và phân tách điện tích hiệu quả do sự hiện diện của r-GO, mặc dù chỉ RhB đƣợc nghiên cứu trong công trình này, ngƣời ta tin rằng các vật liệu nanocomposite nhƣ vậy thể hiện các đặc tính xúc tác quang tốt đối với sự phân hủy của thuốc nhuộm tự cảm quang khác dƣới sự chiếu xạ ánh sáng khả kiến [66].
Các bƣớc phản ứng liên quan đến quá trình phân hủy quang xúc tác dƣới ánh sáng UV có thể đƣợc tóm tắt nhƣ sau [6]:
2 2( (CB) (VB))
SnO hvSnO e h (1.24)
2( CB ) 2 ( )
SnO e grapheneSnO graphene e (1.25)
2 2
( )
graphene e O graphene O (1.26)
2( VB) 2
SnO h OHSnO OH (1.27)
OH + pollutants Degradation products (1.28)
Các quá trình liên quan đến sự chiếu xạ của ánh sáng mặt trời có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau [6]:
* RhBhvRhB (1.29) * graphenehvgraphene (1.30) 2 2 2 2 * / / ( CB)
RhB SnO rGOSnO SnO rGOSnO e RhB (1.31)
2 2 2
* CB( / / )
graphene e O SnO rGOSnO graphene (1.32)