54
x Bước sóng hấp thụ ánh sáng của vật liệu BiOI/rGO tập trung trong khoảng 730- 750 nm, tương ứng với vùng ánh sáng khả kiến. Sau khi bổ sung một lượng Fe3O4 nhất định, bước sóng hấp thụ của vật liệu đã mỏ rộng hơn trong khoảng từ 750-800nm.
Năng lượng vùng cấm của tổ hợp quang xúc tác được xác định dựa trên phương trình Tauc [62] và thống kê trong bảng sau.
Bảng 3.5 Năng lượng vùng cấm của xúc tác quang BiOI/rGO/Fe3O4
Xúc tác quang Năng lượng vùng cấm Eg (eV) BiOI/rGO5% 1,76 BiOI/rGO5%/Fe3O4(7%) 1,64 BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) 1,70 BiOI/rGO5%/Fe3O4(3%) 1,73 BiOI/rGO5%/Fe3O4(1%) 1,74
Năng lượng vùng cấm của xúc tác BiOI/rGO5% giảm đi khi kết hợp thêm Fe3O4, điều này cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy của vật liệu được tăng cường.
Từ kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ rhodamin B có thể xác định hiệu suất xử lý Rhodamin B như sau:
Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý Rhodamin B của xúc tác quang BiOI/rGO/Fe3O4
Xúc tác Hấp phụ (%) Hiệu suất xử lý (%) BiOI/rGO5% 30,6 90,3 BiOI/rGO5%/Fe3O4(7%) 36,2 88,5 BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) 35,1 98,8 BiOI/rGO5%/Fe3O4(3%) 33,2 94,3 BiOI/rGO5%/Fe3O4(1%) 32,7 85,9
Như vậy, khi bổ sung Fe3O4 có thể làm tăng khả năng hấp phụ và hiệu suất xử lý Rhodamin B bởi khi kết hợp với BiOI thì Fe3O4 có thể tạo thành tổ hợp chất bán dẫn n-p, từ đó nâng cao khả năng tách và vận chuyển điện tử. Tuy nhiên, khi hàm lượng Fe3O4 chiếm nhiều trong thành phần xúc tác, hiệu suất xử lý Rhodamin B có giảm, điều này có thể giải thích là do bản chất vật liệu Fe3O4 có hoạt tính quang hóa thấp, nên làm giảm hoạt tính của tổ hợp xúc tác quang. Hàm lượng Fe3O4 quá thấp cũng là nguyên nhân dẫn đến giảm hiệu suất xử lý Rhodamin B bởi lượng Fe3O4 kết hợp với BiOI quá thấp dẫn đến tổ hợp n-p hình thành hạn chế, trong khi lượng xúc tác chính chủ yếu là BiOI bị chiếm một phần khối lượng [64]. Vì vậy, BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) được sử dụng cho các nghiên cứu khảo sát tiếp theo.
3.4.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của xúc tác BiOI/rGO/Fe3O4
Khảo sát khả năng hấp phụ của xúc tác quang đối với đối tượng xử lý Rhodamin B được đánh giá qua phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS như sau:
55
Hình 3.24 Khả năng hấp phụ Rhodamin B của xúc tác quang BiOI/rGO/Fe3O4
Kết quả cho thấy, trong khoảng 120 phút thử nghiệm, nồng độ rhodamin B giảm dần, với tốc độ nhanh nhất trong khoảng 30 phút đầu tiên, chậm dần khi đến phút thứ 60 và gần như không thay đổi trong khoảng 60 phút còn lại. Mức độ hấp phụ lớn nhất tại phút thứ 60 là 35%.
Do đó, thời gian hấp phụ trong 60 phút được xem là mốc vật liệu đạt cân bằng hấp phụ - nhả hấp phụ.
3.4.4 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác BiOI/rGO/Fe3O4
Ảnh hưởng của khối lượng của xúc tác đến quá trình quang phân hủy Rhodamin B được đánh giá qua phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS như sau:
56 Từ kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ rhodamin B, có thể xác định hiệu suất xử lý Rhodamin B khi thay đổi khối lượng xúc tác quang BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) từ 25 – 75 mg như sau:
Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý Rhodamin B theo khối lượng xúc tác
Xúc tác Hấp phụ (%) Hiệu suất xử lý (%) BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) 25mg 23,7 75,6 BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) 50mg 35,1 98,8 BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) 75mg 41,2 99,2
Khối lượng xúc tác tăng dần, số lượng tâm hoạt tính lớn dẫn đến phản ứng trên bề mặt xúc tác sẽ được thúc đẩy. Tuy nhiên, khi khối lượng xúc tác quá lớn, hỗn hợp phản ứng có thể trở thành dạng huyền phù, ngăn cản sự tiếp cận của ánh sáng đến các tâm xúc tác, làm giảm khả năng quang hóa của xúc tác.
Như vậy, để đảm bảo tính kinh tế và hiệu suất tối ưu nhất, khối lượng xúc tác quang BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) được sử dụng là 50mg đối với 50mL Rhodamin B 10ppm.
3.4.5 Ảnh hưởng của nồng độ Rhodamin B
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Rhodamin B đối với hiệu quả quá trình quang xúc tác được đánh giá qua phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV- VIS như sau:
Hình 3.26 Hiệu suất xử lý Rhodamin B của xúc tác theo nồng độ Rhodamin B
Từ kết quả phân tích sự thay đổi nồng độ rhodamin B trước và sau phản ứng, có thể xác định hiệu suất xử lý Rhodamin B khi thay đổi nồng độ ban đầu như sau:
57
Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý Rhodamin B khi thay đổi nồng độ ban đầu
Nồng độ Rhodamin B Hấp phụ (%) Hiệu suất xử lý (%) 50mL Rhodamin B 5ppm 42,1 99,3 50mL Rhodamin B 10ppm 35,1 98,8 50mL Rhodamin B 15ppm 32,4 94,2
Nồng độ Rhodamin B tăng dần, trong khi khối lượng xúc tác khơng đổi, hay số tâm hoạt tính khơng đổi, sẽ làm giảm hiệu quả q trình xử lý. Ngồi ra, nồng độ rhodamin B cao dẫn đến màu dung dịch đậm hơn, làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng của xúc tác. Với nồng độ rhodamin B từ 5-10ppm, hiệu quả quá trình xử lý giảm khơng đáng kể. Tuy nhiên, với nồng độ rhodamin B tăng đến 15ppm, hiệu quả giảm đến 5%.
Do đó, nồng độ Rhodamin B 10ppm được sử dụng cho các nghiên cứu khảo sát tiếp theo.
3.4.6 Ảnh hưởng của pH dung dịch
3.4.6.1. Điểm đẳng điện của xúc tác BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%)
Điểm đẳng điện của vật liệu BiOI/rGO/Fe3O4 được xác định dựa trên các giá trị pH đo được trong bảng sau:
Bảng 3.9 Khảo sát pH của xúc tác
pH 1 3 5 7 9 11
pHi 1,12 3,08 5,17 7,21 9,25 11,09 pHf 3,71 4,98 6,32 6,96 7,47 7,23
οpH -2,59 -1,9 -1,15 0,25 1,78 3,86
Hình 3.27 Đồ thị xác định điểm đẳng điện của BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%)
Kết quả cho thấy, điểm đẳng điện của BiOI/rGO5%/Fe3O4(5%) pHpzc = 6,8. Khi pH < pHpzc, trong dung dịch nước sẽ cho ion H+ nhiều hơn ion OH-, bề mặt chất hấp phụ mang điện tích dương, và sẽ hấp phụ anion tốt hơn. Ngược lại, khi
58 pH > pHpzc, trong dung dịch nước sẽ cho ion H+ ít hơn ion OH-, bề mặt chất hấp phụ mang điện tích âm, và sẽ hấp phụ cation tốt hơn.
3.4.6.2. pH của dung dịch
Khảo sát ảnh hưởng pH của dung dịch Rhodamin B đối với hiệu quả xử lý của xúc tác được đánh giá qua phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS như sau: