2
3.3.2. Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu trong vùng ánh sáng khả kiến
sáng khả kiến
Mục đích thứ nhất của việc pha tạp nguyên tố Cu và N vào mạng tinh thể TiO2 là làm giảm năng lƣợng vùng cấm của hạt bán dẫn TiO2 để tăng cƣờng hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng khả kiến. Từ kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu vật liệu cho thấy, các mẫu vật liệu TiO2 pha tạp đều có giá trị năng lƣợng vùng cấm (Eg) nhỏ hơn so với TiO2 tinh khiết (bảng 3.3). Kết quả này cho phép dự đoán hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ của các vật liệu TiO2 pha tạp sẽ cao hơn vật liệu TiO2 tinh khiết.
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác phân hủy RhB (10mg/l) đối với 4 mẫu là TiO2, 5%N-TiO2, 5%Cu-TiO2, 5%Cu-5%N-TiO2. Kết quả khảo sát đƣợc trình bày ở hình 3.14 và hình 3.15 . 300 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 A b s . Wavelength (nm) RhB TiO2 5%N-TiO2 5%Cu-TiO2 5%Cu-N-TiO2
Hình 3.14: Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rh B của các mẫu vật liệu dưới ánh sáng khả kiến. Điều kiện thí nghiệm (20 mg chất xúc tác, 20 ml dung dịch Rh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 52
TiO2 5%N-TiO2 5%Cu-TiO2 5%Cu-N-TiO2
0 5 10 15 20 25 H (% ) Sample
Hình 3.15: Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rh B của các mẫu vật liệu dưới ánh sáng khả kiến. Điều kiện thí nghiệm (20 mg chất xúc tác, 20 ml dung dịch
RhB (10 mg/l), thời gian chiếu sáng 180 phút, đèn halogen 500W)
Kết quả hình 3.14 và 3.15 cho thấy việc pha tạp nguyên tố Cu và N vào tinh thể TiO2 đã làm tăng hiệu suất quang xúc tác của vật liệu này trong vùng ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy pha tạp nguyên tố Cu có ảnh hƣởng lớn hơn pha tạp nguyên tố N đối với hoạt tính quang xúc tác của TiO2, việc đồng pha tạp cả nguyên tố Cu và N đem lại hiệu suất quang xúc tác cao hơn đơn pha tạp từng nguyên tố.
Kết quả đo diện tích bề mặt riêng (SBET) của các mẫu vật liệu (bảng 3.1) cho thấy việc pha tạp nguyên tố Cu không làm biến đổi diện tích bề mặt riêng của vật liệu, trong khi pha tạp N có làm tăng diện tích bề mặt riêng nhƣng không nhiều. Nhƣ vậy, nguyên nhân làm cho hoạt tính quang xúc tác của vật liệu pha tạp cao hơn vật liệu TiO2 tinh khiết không phải do yếu tố tạo ra các trung tâm đồng xúc tác hoặc do diện tích bề mặt riêng của các vật liệu tăng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 53
Hình 3.16: Sự thay đổi năng lượng vùng cấm Eg của các mẫu vật liệu
Căn cứ vào kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu vật liệu (hình 3.11) và các tài liệu tham khảo [15, 17], chúng tôi cho rằng nguyên nhân làm cho hoạt tính quang xúc tác của vật liệu pha tạp (Cu, N) cao hơn vật liệu TiO2 tinh khiết là do khi pha tạp nguyên tố Cu, N vào mạng tinh thể TiO2 đã làm giảm năng lƣợng vùng cấm của TiO2 làm cho vật liệu bán dẫn này hoạt mạnh hơn trong vùng ánh sáng khả kiến.
Sự thay đổi năng lƣợng vùng cấm Eg của TiO2 do sự pha tạp các nguyên tố Cu, N vào mạng tinh thể TiO2 đƣợc minh họa nhƣ hình 3.16. Kết quả cho thấy, sự đồng pha tạp Cu, N vào mạng tinh thể TiO2 làm giảm năng lƣợng vùng cấm của TiO2 nhiều hơn so với đơn pha tạp. Do đó, hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B của vật liệu 5%Cu-N-TiO2 là lớn nhất.
Tuy nhiên, kết quả hình 3.15 cho thấy hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ Rodamin B của các mẫu vật liệu nói chung khá thấp (hiệu suất cao nhất là mẫu 5%Cu-5%N-TiO2 đạt 26,6 % sau thời gian chiếu sáng 180 phút). Chúng tôi cho rằng yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất đó chính là nguồn sáng kích thích
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 54 chƣa phù hợp hơn nữa qua thực nghiệm chúng tôi nhận thấy, nhiệt độ của bóng đèn halogen 500 W thoát ra rất lớn nên đã làm bay hơi 1 phần nƣớc trong dung dịch điều này làm tăng nồng độ của dung dịch Rodamin B hay nói khác đi là làm giảm hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.