CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.7 So sánh hiệu quả quang của tổ hợp BiOI/rGO/Fe3O4 và ZnO/CuO/rGO
1.7.1 Tổng quan vật liệu ZnO/CuO/rGO
Kẽm oxit (ZnO) là một chất bán dẫn loại n thuộc nhóm II-VI, có mức năng lượng vùng cấm rộng (Eg = 3,2eV) và năng lượng liên kết cao (60meV) ở nhiệt độ phòng. Kẽm oxit (ZnO) là một loại vật liệu bán dẫn có độ ổn định hóa học cao, thân thiện với mơi trường, giá thành hợp lý, có thể hấp thụ một phạm vi rộng quang phổ mặt trời và nhiều lượng tử ánh sáng hơn một số oxit kim loại bán dẫn khác. Tuy nhiên, sự hấp thụ ánh sáng của ZnO bị giới hạn hoạt hóa trong vùng ánh sáng tử ngoại (chỉ chiếm khoảng 4% phổ ánh sáng mặt trời) do năng lượng vùng cấm lớn. Để hạn chế sự tái tổ hợp các điện tử với lỗ trống quang sinh và sự ăn mòn quang, ZnO cần được biến tính để giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu, phù hợp với nguồn năng lượng kích thích là vùng ánh sáng nhìn thấy.
Nhiều chiến lược đã được đề xuất, trong đó nổi bật lên là cách kết hợp hai chất bán dẫn với nhau tạo thành hệ hai chất bán dẫn loại II có các hạt tải điện trái ngược nhau, từ đó tạo thành mức năng lượng vùng trung gian mới nhỏ hơn năng lượng vùng cấm của các chất bán dẫn ban đầu [53]. Trong các nghiên cứu trước đây, rất nhiều chất bán dẫn đã được kết hợp với ZnO để tăng cường khả năng phân tách điện tử/lỗ trống và cải thiện phạm vi hấp thụ ánh sáng đến vùng ánh sáng khả kiến như hệ ZnO-TiO2, ZnO-SnO2,MgO-ZnO,... Trong số các hệ xúc tác quang này, ZnO-CuO là hiệu quả nhất khi kết hợp với ZnO với CuO, điều này đã được chứng minh qua hiệu quả quang hóa của xúc tác quang với nước thải dệt nhuộm. Đồng thời trong tổ hợp xúc tác ba chức ZnO-CuO/rGO, rGO đóng vai trị như một
27 chất dẫn electron, một chất nền để cố định các thành phần có hoạt tính quang, hỗ trợ cho các oxit kim loại để ngăn chặn sự tái tổ hợp điện tử đồng thời tăng diện tích bề mặt riêng cho vật liệu, thúc đẩy quá trình hấp thụ các chất hữu cơ cho quá trình quang hóa. Việc gắn các hạt nanocompozit ZnO-CuO lên rGO đã làm giảm đáng kể sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống quang sinh, tăng khả năng hấp thụ vùng ánh sáng nhìn thấy, làm giảm mức năng lượng photon để điện tử bị kích thích và tăng diện tích hoạt động quang xúc tác, từ đó hiệu quả quang xúc tác được cải thiện trong miền ánh sáng nhìn thấy [54].
1.7.2 Cơ chế xúc tác quang ZnO/CuO/rGO
Dưới tác dụng của nguồn ánh sáng kích thích phù hợp, các electron ở vùng hóa trị của ZnO và CuO được kích thích, chuyển lên vùng dẫn rồi đi tới bề mặt của ZnO và CuO tạo thành các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh. Sau đó các điện tử này được dẫn lên bề mặt của rGO, một vật liệu có độ linh động điện tử lý thuyết rất cao, độ dẫn điện tốt. Do electron sẽ dịch chuyển từ vùng dẫn của CuO về vùng dẫn của ZnO tương tự cơ chế di chuyển điện tử của hệ ZnO-CuO và được dẫn trên bề mặt của rGO từ đó làm giảm khả năng tái tổ hợp điện tử với vùng hóa trị của các chất bán dẫn. Đồng thời dưới tác động của photon ánh sáng, electron của graphen cũng được kích thích và di chuyển lên vùng dẫn của ZnO và CuO. Tại đây, các electron quang sinh thực hiện phản ứng với H2O và O2 chuyển về thành các gốc OH• và O2- có khả năng phân huỷ các chất hữu cơ, ngăn chặn sự tái tổ hợp electron/lỗ trống và sự ăn mòn quang của ZnO ban đầu. Các chất hữu cơ trong nước thải nhiễm dầu sẽ bị phân hủy thành sản phẩm cuối cùng là cacbon dioxit và nước.
Hình 1.14 Cơ chế của xúc tác quang ZnO/CuO/rGO
Cơ chế quang của ZnO-CuO/rGO là sự kết hợp của cơ chế quang hệ xúc tác ZnO-CuO với sự dịch chuyển electron quang sinh trên bề mặt một chất dẫn điện tốt là rGO. Với mơ hình xúc tác dạng đường chéo Z, khả năng ngăn chặn sự tái tổ hợp là tương đối triệt để, mở rộng khả năng hấp phụ trong vùng ánh sáng khả kiến cũng như tăng cường khả năng hấp phụ các chất hữu cơ cho quá trình quang xúc tác xử lý nước thải nhiễm dầu.