CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về nano kẽm oxit (ZnO)
1.1.4 Các phương pháp tăng cường hiệu quả xúc tác quang của vật liệu
pháp thủy nhiệt đơn giản.
1.1.4 Các phương pháp tăng cường hiệu quả xúc tác quang của vật liệu nano ZnO liệu nano ZnO
Như đã trình bày ở trên, ZnO là một chất bán dẫn tuyệt vời vừa là một chất kháng khuẩn đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, do năng lượng vùng cấm của ZnO lớn (~3,37 eV) nên ZnO chỉ hấp thụ mạnh ánh sáng vùng UV (chiếm khoảng 4% trong quang phổ mặt trời), đồng thời hạn chế trong việc hấp thụ ánh sáng nhìn thấy (chiếm khoảng 43% trong quang phổ mặt trời) [17]. Ngoài ra, do sự tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống trên ZnO diễn ra nhanh chóng, dẫn đến hiệu quả xúc tác quang của nó giảm sút. Những nhược điểm này đã hạn chế các ứng dụng của ZnO vào thực tế,
đặc biệt là việc sử dụng năng lượng mặt trời trong xử lý mơi trường. Để khắc phục
điều đó, nhiều phương pháp đã được các nhà nghiên cứu đề xuất như pha tạp phi kim/kim loại, lắng đọng kim loại quý hoặc kết hợp với các chất bán dẫn khác.
1.1.4.1. Pha tạp với kim loại
Gần đây, các nguyên tử kim loại như kim loại kiềm, kim loại chuyển tiếp, kim loại đất hiếm pha tạp trên ZnO đã được nghiên cứu rộng rãi nhằm mở rộng phản ứng xúc tác quang của ZnO trong vùng ánh sáng nhìn thấy và tăng hiệu suất
lượng tử của nó. Từđó, pha tạp ZnO với kim loại có thể cải thiện được hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.
Các kim loại chuyển tiếp có phân lớp d ngoài cùng chưa được lấp đầy electron, đặc biệt là các kim loại chuyển tiếp có bán kính ngun tửtương tự với bán kính nguyên tử của Zn có thể dễ dàng pha tạp vào mạng tinh thể ZnO. Nhiều kim loại chuyển tiếp như sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni), crom (Cr), mangan
(Mn),…đã được nghiên cứu pha tạp trên ZnO nhằm thu hẹp vùng cấm của hợp chất này [13, 27, 28]. Thêm vào đó, nguyên tử kim loại chuyển tiếp trong điều kiện này có thể tạo ra một trạng thái điện tử mới trong vùng cấm của ZnO, sau đó giữ
lại các điện tử bị kích thích, từđó ngăn cản sự tái tổ hợp nhanh chóng giữa electron và lỗ trống. Ví dụ, Yongchun Lu và cộng sựđã nghiên cứu pha tạp Mn trên ZnO nhằm tăng cường hiệu quả xúc tác quang của nó [29]. Mn2+ dễ dàng thay thế Zn2+
trong mạng tinh thể ZnO vì bán kính của Mn2+ (0,080 nm) gần tương đương với bán kính của Zn2+ (0,074 nm) và cảhai ion đều mang điện tích ion như nhau. Kết quả cho thấy, so với ZnO tinh khiết, ZnO pha tạp Mn thể hiện khảnăng hấp thụ
ánh sáng nhìn thấy mạnh hơn, dẫn đến khả năng phân hủy 2,4-diclophenol dưới ánh sáng nhìn thấy của Mn/ZnO gấp khoảng 7,8 lần so với ZnO.
Kim loại đất hiếm như xeri (Ce), europi (Eu),… cũng là một lựa chọn được sử dụng để thay đổi cấu trúc điện tử của ZnO và mở rộng khảnăng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy [30, 31]. Cấu trúc điện tử của ZnO bịảnh hưởng bởi sự chuyển điện tích giữa VB hoặc CB của ZnO và các electron ở phân lớp 4f hoặc 5d của các kim loại đất hiếm. Mặc dù pha tạp kim loại đất hiếm mang lại một số ưu điểm nhưng
kỹ thuật này bị hạn chế bởi độ bão hòa ở hàm lượng thấp của các ion kim loại trong mạng tinh thể ZnO do có sự khác biệt về bán kính ion và sựkhơng tương ứng về
vị trí các mức năng lượng giữa chúng.