NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI (Au, Ag, Pt)/gC3N4, OXIT KIM LOẠI (NTiO2, Fe2O3)gC3N4 VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ OXYTETRACYCLINE VÀ CHUYỂN HOÁ CACBON DIOXIT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đinh Thị Thuý Hằng

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI (Au, Ag, Pt)/
g-C3N4, OXIT KIM LOẠI (N-TiO2-, -Fe2O3)/g-C3N4 VÀ ĐÁNH GIÁ
HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ

OXYTETRACYCLINE VÀ CHUYỂN HOÁ CACBON DIOXIT

Chun ngành: Hố mơi trường
Mã số: 9440112.05

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN THANH BÌNH
2. PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH BẢNG

Hà Nội – 2024

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu được thực hiện bởi chính nghiên
cứu sinh trong khoảng thời gian học tập. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận
án là trung thực, khoa học và chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào
bởi một tác giả khác khơng thuộc nhóm nghiên cứu. Việc sử dụng số liệu trong luận án
đều được sự đồng ý của các đồng tác giả của các cơng trình đã cơng bố và có nguồn
gốc rõ ràng.
Luận án được tài trợ một phần bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc
gia (NAFOSTED) với đề tài mã số 104.05-2017.39 do PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình
làm chủ nhiệm.

Nghiên cứu sinh

Đinh Thị Thuý Hằng

ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn
Thanh Bình và PGS.TS. Nguyễn Đình Bảng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để em có
thể vượt qua những khó khăn trong q trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Đặc
biệt trong giai đoạn dịch bệnh COVID-19 đã làm gián đoạn thực nghiệm và nghiên
cứu, các Thầy đã luôn động viên, chia sẻ, khích lệ và hỗ trợ để em có tinh thần lạc
quan và động lực hoàn thiện Luận án này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy.
Em xin cảm ơn các Thầy giáo, Cơ giáo trong Khoa Hóa học - Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội; đặc biệt là các Thầy giáo, Cơ giáo
phịng thí nghiệm Hóa Mơi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt
thời gian học tập, nghiên cứu cũng như đã nhận xét, góp ý cho em trong quá trình thực
hiện các nội dung nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị em cộng sự và các đồng nghiệp đến từ
các Trung tâm, các Viện nghiên cứu đã nhiệt tình giúp đỡ để tơi hồn thành cơng trình
nghiên cứu này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Viện Môi
trường, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi trong cơng tác
để tơi có thể học tập và nghiên cứu trong thời gian vừa qua.
Và con xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã ln là chỗ dựa về tinh
thần, luôn ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện để con có thể hồn thành Luận án.
Trân trọng!

Nghiên cứu sinh

Đinh Thị Thuý Hằng

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................iii
MỤC LỤC................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................xii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................4

1.1. Tổng quan về sự phát thải cacbon dioxit và các chất kháng sinh trong môi
trường........................................................................................................................ 4

1.1.1. Tổng quan về cacbon dioxit.........................................................................4
1.1.2. Tổng quan về thuốc kháng sinh Oxytetracyline...........................................6
1.2. Chuyển hoá CO2 và phân huỷ thuốc kháng sinh bằng phương pháp quang xúc
tác 12
1.2.1. Tổng quan về quá trình quang xúc tác.......................................................12
1.2.2. Các loại vật liệu quang xúc tác trên cơ sở g-C3N4...........................................................16
1.2.3. Chuyển hoá CO2 bằng vật liệu quang xúc tác trên cơ sở g-C3N4........................20
1.2.4. Phân huỷ OTC bằng vật liệu quang xúc tác trên cơ sở g-C3N4.............................27
1.3. Phương pháp tổng hợp hệ vật liệu g-C3N4 biến tính..........................................30
1.3.1. Phương pháp tổng hợp g-C3N4.........................................................................................................30
1.3.2. Phương pháp tổng hợp hệ vật liệu g-C3N4 biến tính bằng kim loại quý.....32
1.3.3. Phương pháp tổng hợp hệ vật liệu g-C3N4 biến tính bằng oxit kim loại....36
1.4. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................37

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM................................................................................39
2.1. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị.............................................................................39
2.1.1. Hoá chất.....................................................................................................39
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị.........................................................................................39
2.2. Tổng hợp các vật liệu quang xúc tác.................................................................39
2.2.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4......................................................................................................................40
2.2.2. Tổng hợp vật liệu quang xúc tác MeNP/g-C3N4................................................................41
2.2.3. Tổng hợp vật liệu quang xúc tác MeOx/g-C3N4.................................................................45

iv

2.3. Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu quang xúc tác......................................46
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)...........................................................46
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR).............................................................46
2.3.3. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)........................47
2.3.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)..............................................................47
2.3.5. Phương pháp phổ huỳnh quang (PL)..........................................................48
2.3.6. Phương pháp quang phổ quang điện tử tia X (XPS)..................................48

2.4. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong phản ứng phân huỷ OTC . 49
2.4.1. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong phản ứng phân huỷ OTC
.............................................................................................................................. 49
2.4.2. Khảo sát khả năng bắt gốc đối với các vật liệu MeNP/g-C3N4.............................50
2.4.3. Xác định nồng độ OTC trong dung dịch....................................................51

2.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong phản ứng khử CO2..................52
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................54

3.1. Đặc trưng và hoạt tính quang xúc tác của MeNP/g-C3N4.....................................................54
3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu xúc tác g-C3N4..................................................................54

3.1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu xúc tác MeNP/g-C3N4................................................57
3.1.3. Hoạt tính xúc tác quang của MeNP/g-C3N4 trong phản ứng oxy hoá OTC 69
3.1.4. Hoạt tính xúc tác quang của MeNP/g-C3N4 trong phản ứng khử CO2...........79

3.2. Đặc trưng và hoạt tính quang xúc tác của MeOx/g-C3N4......................................................81
3.2.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu xúc tác MeOx/g-C3N4..................................................81
3.2.2. Hoạt tính xúc tác quang phân hủy OTC của vật liệu MeOx/g-C3N4..................88
3.2.3. Hoạt tính xúc tác quang phân huỷ CO2 của MeOx/g-C3N4........................................92

3.3. Cơ chế đề xuất cho quá trình quang xúc tác và Và so sánh hoạt tính của các hệ
vật liệu.....................................................................................................................95

3.3.1. Cơ chế đề xuất cho phản ứng quang khử CO2 và oxy hoá OTC trên hệ xúc
tác MeNP/g-C3N4........................................................................................................................................................95
3.3.2. Cơ chế đề xuất cho quá trình quang xúc tác của hệ vật liệu MeOx/g-C3N4 97
3.3.3. So sánh hoạt tính quang xúc tác của các hệ vật liệu.................................100
KẾT LUẬN..............................................................................................................103
ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN..................................................................................105
CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN..................106

v

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................107
PHỤ LỤC.................................................................................................................123

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của nhóm kháng sinh Tetracycline (đối với TC, CTC và
OTC: R1 lần lượt là H, Cl và H; R2 là CH3; R3 là OH; R4 lần lượt là H, H và OH)........8

Hình 1.2. Hệ xúc tác quang liên hợp dị thể dạng Z (Z-scheme)...................................15
Hình 1.3. Cấu trúc vật liệu g-C3N4............................................................................................................................16
Hình 1.4. Cơ chế phân huỷ OTC bằng PCO/O3 tại điều kiện tối ưu............................27
Hình 1.5. Phân bố kích thước hạt vàng khi chế tạo bằng phương pháp Turkevich đảo
ngược: (1) phương pháp đảo ngược, (2) phương pháp đảo ngược kết hợp với tối ưu
pH, và (3) phương pháp đảo ngược, tối ưu hoá pH và bổ sung thêm axit citric...........33
Hình 1.6. Số lượng các cơng bố về vật liệu g-C3N4 biến tính bằng oxit kim loại [136]
...................................................................................................................................... 36
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu AuCN...............................................................42
Hình 2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu quang xúc tác PtCN..........................................43
Hình 2.3. Quy trình tổng hợp vật liệu quang xúc tác AgCN........................................44
Hình 2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu quang xúc tác x% N-TiO2-/g-C3N4............................45
Hình 2.5. Quy trình tổng hợp vật liệu quang xúc tác -Fe2O3/g-C3N4.......................................46
Hình 2.6. Hệ phản ứng quang xúc tác sử dụng trong nghiên cứu................................49
Hình 2.7. Hệ phản ứng khử CO2 trong pha khí bằng các vật liệu composit trên cơ sở g-
C3N4....................................................................................................................................................................................................52
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu g-C3N4 theo nhiệt độ nung.....54
Hình 3.2. Các sản phẩm trung gian trong quá trình tổng hợp g-C3N4 từ melamin.......55
Hình 3.3. Phổ IR của các mẫu vật liệu g-C3N4 tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau.....55
Hình 3.4. Phổ UV-Vis DRS của vật liệu g-C3N4 tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau..56
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ vật liệu AuCN..............................................57
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ vật liệu PtCN................................................58
Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu AgCN..................................................59
Hình 3.8. Phổ IR của các vật liệu AuCN.....................................................................60
Hình 3.9. Phổ IR của các vật liệu PtCN.......................................................................61
Hình 3.10. Phổ IR của các vật liệu AgCN...................................................................61
Hình 3.11. a) Phổ UV-Vis DRS của mẫu vật liệu xúc tác quang AuCN; b) Đồ thị tính
năng lượng Eg.............................................................................................................................................................................62
Hình 3.12. a) Phổ UV-Vis DRS của mẫu vật liệu xúc tác quang PtCN; b) Đồ thị tính

vii

năng lượng Eg.............................................................................................................................................................................63
Hình 3.13. (a) Phổ UV-Vis DRS của mẫu AgCN; (b) Đồ thị tính mức năng lượng Eg
64 Hình 3.14. Kết quả chụp ảnh TEMcủa mẫu AuCN.................................................65
Hình 3.15. Kết quả chụp ảnh TEM các mẫu (a) 0,5PtCN; (b) 1PtCN; (c) 1,5PtCN.....66
Hình 3.16. Kết quả chụp TEM mẫu AgCN..................................................................66
Hình 3.17. Phổ PL của một số hệ vật liệu MeNP/g-C3N4......................................................................67
Hình 3.18. Phổ quang điện tử tia X của 0,5AuCN: (a) Phổ độ phân giải cao của Au-4f,
(b) Phổ có độ phân giải cao của O-1s; (c) phổ độ phân giải cao của C-1s; (d) Phổ có độ
phân giải cao của N-1s.................................................................................................68
Hình 3.19. Phổ quang điện tử tia X của 1PtCN: (a) Phổ độ phân giải cao của Pt-4f, (b)
Phổ có độ phân giải cao của O-1s; (c) phổ độ phân giải cao của C-1s; (d) Phổ có độ
phân giải cao của N-1s.................................................................................................69
Hình 3.20. Sự biến đổi của Ct/C0 và hiệu suất quang phân huỷ OTC của vật liệu AuCN
theo thời gian...............................................................................................................69
Hình 3.21. Sự biến đổi của Ct/C0 và hiệ suất quang phân huỷ OTC của vật liệu PtCN
theo thời gian...............................................................................................................70
Hình 3.22. Sự biến đổi của Ct/C0 và hiệ suất phân huỷ OTC của vật liệu AgCN theo
thời gian....................................................................................................................... 70
Hình 3.23. Động học phản ứng quang phân huỷ OTC bằng xúc tác: (a) AuCN; (b)
AgCN; (c) PtCN..........................................................................................................73
Hình 3.24. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng vật liệu xúc tác AuCN tới
khả năng quang phân huỷ OTC theo thời gian.............................................................74
Hình 3.25. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng vật liệu xúc tác PtCN tới
khả năng quang phân huỷ OTC theo thời gian.............................................................74
Hình 3.26. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng vật liệu xúc tác AgCN tới
khả năng quang phân huỷ OTC theo thời gian.............................................................75
Hình 3.27. Động học phản ứng phân huỷ OTC theo khối lượng xúc tác quang: (a)
AuCN; (b) PtCN; (c) AgCN........................................................................................76

Hình 3.28. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của pH tới khả năng quang phân huỷ OTC
bằng vật liệu xúc tác 0,5AuCN....................................................................................77
Hình 3.29. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của pH tới khả năng quang phân huỷ OTC
bằng vật liệu xúc tác 1AgCN.......................................................................................77

viii

Hình 3.30. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của pH tới khả năng quang phân huỷ OTC
bằng vật liệu xúc tác 1PtCN........................................................................................77
Hình 3.31. Động học phản ứng phân huỷ OTC của các chất xúc tác: (a) AuCN, (b)
PtCN và (c) AgCN tại các giá trị pH khảo sát.............................................................78
Hình 3.32. Ảnh hưởng của chất bắt gốc (EDTA, BQ, IPA) tới hiệu suất phân huỷ OTC
của các vật liệu MeNP/g-C3N4.....................................................................................................................................79
Hình 3.33. Kết quả khảo sát khả năng khử CO2 bằng các loại vật liệu (a) AuCN, (b)
AgCN và (c) PtCN.......................................................................................................80
Hình 3.34. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu (a) FeCN và (b) TiCN........................81
Hình 3.35. Phổ FITR của: (a) TiCN và (b) FeCN........................................................82
Hình 3.36. a) Phổ UV-Vis DRS của mẫu vật liệu xúc tác quang g-C3N4 và TiCN; b)
Đồ thị tính năng lượng Eg.................................................................................................................................................83
Hình 3.37. Phổ UV-Vis DRS (a) và hàm Kubelka-Munk (b) của vật liệu FeCN.........84
Hình 3.38. Hình ảnh TEM của mẫu 5TiCN và g-C3N4............................................................................85
Hình 3.39. Hình ảnh TEM của 10FeCN......................................................................85
Hình 3.40. Phổ huỳnh quang của vật liệu 5TiCN và 5FeCN.......................................85
Hình 3.41. Phổ quang điện tử tia X của 5TiCN: (a) Quang phổ khảo sát; (b) phổ độ
phân giải cao của Ti-2p, (c) phổ có độ phân giải cao của O1s; (d) phổ độ phân giải cao
của N1s; (e) phổ có độ phân giải cao của C1s.............................................................87
Hình 3.42. Phổ XPS đối với (a) 10FeCN; (b) Fe2p; (c) O1s; (d) N1s; (e) C1s............87
Hình 3.43. Biểu đồ thể hiện hiệu suất phân huỷ quang xúc tác hợp chất OTC bằng vật
liệu 5% MeOx/g-C3N4 theo thời gian...........................................................................89
Hình 3.44. (a) Cân bằng hấp phụ của OTC lên TiCN và (b) phổ UV-Vis của các mẫu

phân huỷ OTC theo thời gian.......................................................................................90
Hình 3.45. (a) Hiệu suất và (b) động học của phản ứng quang phân hủy OTC bằng vật
liệu TiCN theo thời gian..............................................................................................90
Hình 3.46. (a) Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất quang phân huỷ OTC của vật liệu
5TiCN; (b) Độ ổn định của vật liệu 5TiCN.................................................................92
Hình 3.47. Kết quả khảo sát khả năng khử CO2 bằng vật liệu TiCN...........................93
Hình 3.48. Kết quả khảo sát khả năng khử CO2 bằng vật liệu FeCN...........................94
Hình 3.49. Cơ chế đề xuất quang khử CO2 (a) và oxy hóa OTC (b) trên xúc tác AuCN
và PtCN.......................................................................................................................95

ix

Hình 3.50. Cơ chế đề xuất quang khử CO2 (a) và oxy hóa OTC (b) trên xúc tác AgCN
...................................................................................................................................... 96
Hình 3.51. Sơ đồ minh hoạ: (a) cấu trúc dải năng lượng của N-TiO2- và g-C3N4 trước
khi tiếp xúc, (b) vật liệu N-TiO2-/g-C3N4 trong phản ứng oxy hoá OTC và (c) cơ chế
quang khử CO2...........................................................................................................................................................................97
Hình 3.52. Đề xuất cơ chế quang khử CO2 trên cấu trúc sơ đồ Z của FeCN................99
Hình 3.53. So sánh hoạt tính quang khử CO2 của các hệ vật liệu..............................100
Hình 3.54. So sánh hoạt tính quang phân huỷ OTC giữa các hệ vật liệu...................101

x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hằng số phân ly axit của nhóm kháng sinh Tetracycline...............................7
Bảng 1.2. Các sản phẩm chính của q trình khử CO2 bằng quang xúc tác.................20
Bảng 1.3. Một số hệ vật liệu quang xúc tác trên cơ sở g-C3N4 trong chuyển hoá CO2 26
Bảng 1.4. Một số phương pháp chuyển hoá Tetracycline bằng vật liệu quang xúc tác
trên cơ sở g-C3N4.....................................................................................................................................................................29
Bảng 1.5. Một số điều kiện tổng hợp vật liệu g-C3N4...............................................................................31

Bảng 2.1. Danh mục hoá chất sử dụng.........................................................................39
Bảng 2.2. Các hệ vật liệu được nghiên cứu, tổng hợp trong Luận án...........................40
Bảng 2.3. Thông số tổng hợp vật liệu xúc tác quang x%PtNP/g-C3N4......................................43
Bảng 2.4. Thông số tổng hợp vật liệu xúc tác quang AgCN........................................44
Bảng 3.1. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng vùng cấm của g-C3N4.........................56
Bảng 3.2. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng vùng cấm của AuCN.................62
Bảng 3.3. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng vùng cấm của PtCN..................63
Bảng 3.4. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng vùng cấm của AgCN.................64
Bảng 3.5. Hằng số tốc độ phản ứng quang phân huỷ OTC bằng vật liệu MeNP/g-C3N4
...................................................................................................................................... 75
Bảng 3.6. Bước sóng kích thích và mức năng lượng vùng cấm của 5% MeOx/gC3N4 83

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AgCN: Hệ vật liệu xúc tác quang AgNP/g-C3N4
AgNP: Silver nano particles (Hạt nano kim loại bạc)
ARG: Antibiotic Resistance Genes (Gen kháng kháng sinh)
AuCN: Hệ vật liệu xúc tác quang AuNP/g-C3N4
AuNP: Gold nano particles (Hạt nano kim loại vàng)
Bộ NN-PTNT: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
CB: Conduction band (vùng dẫn)
CCS: Carbon Capture and Storage (Công nghệ thu hồi và lưu giữ cacbon)
CTC: Chlortetracycline
D-Z: Direct Z-Scheme photocatalytic system (Hệ xúc tác quang dạng Z trực
tiếp) EATC: 4-epi-anhydro-tetracycline
EG: Ethylene glycol
EOTC: 4-epi-OTC
FeCN: Hệ vật liệu xúc tác quang -Fe2O3/g-C3N4
IPA: rượu isopropyl

MeNP/g-C3N4: Hệ vật liệu xúc tác quang kim loại trên cơ sở g-C3N4
MeOx/g-C3N4: Hệ vật liệu xúc tác quang oxit kim loại trên cơ sở g-C3N4
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration (Cơ quan Khí
quyển và Đại dương quốc gia - Mỹ)
OTC: Oxytetracycline
PtCN: Hệ vật liệu xúc tác quang PtNP/g-C3N4
PtNP: Platinium nano particles (Hạt nano kim loại platin)
TC: Tetracycline
TCD: Trisodium citrate dihydrate
TCs: Nhóm thuốc kháng sinh Tetracycline
TiCN: Hệ vật liệu xúc tác quang N-TiO2-/g-C3N4
VB: Valence band (vùng hoá trị)

xii

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Phương pháp xúc tác quang hoá (photocatalysis) là một trong những công nghệ
tiên tiến trong việc xử lý ô nhiễm môi trường và thu hút được nhiều sự quan tâm của
các nhà khoa học. Lợi ích lớn của xúc tác quang hố là nó khơng cần thêm hóa chất và
có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn. Tuy nhiên, hiệu quả của
q trình này cịn phụ thuộc vào các yếu tố như loại xúc tác, nguồn sáng, và điều kiện
môi trường. Hướng sử dụng vật liệu quang xúc tác trong q trình oxy hố và khử các
chất ơ nhiễm thành các hợp chất giá trị khác là hướng nghiên cứu được quan tâm gần
đây.
Quá trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hố CO2 có thể được nghiên cứu
đồng thời để đánh giá hoạt tính của vật liệu dựa trên các nghiên cứu đã công bố và
những điểm mới được phát hiện trong quá trình nghiên cứu. Trong khoảng những năm
gần đây, vật liệu quang xúc tác trên cơ sở polymer graphitic carbon nitride, g-C3N4,

nổi lên như một xúc tác đầy tiềm năng do có các tiền đề đáp ứng được các yêu cầu của
một xúc tác trong công nghiệp. Tuy nhiên, vật liệu xúc tác g-C3N4 có nhược điểm cơ
bản sau cần được cải thiện là sự tái tổ hợp nhanh của cặp điện tử - lỗ trống. Với định
hướng đó, luận án dự kiến nghiên cứu tổng hợp hệ quang xúc tác MeNP/g-C3N4
(MeNP là các hạt nano kim loại Pt, Au, Ag) và MeOx/g-C3N4 (MeOx là các oxit kim
loại N-TiO2-, -Fe2O3) có cấu trúc lớp nhằm tăng diện tích bề mặt riêng, tối ưu sự
phân bố pha và tăng thời gian sống của cặp điện tử - lỗ trống quang sinh để tăng hiệu
suất trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu.
Với tốc độ phát triển dân cư và kinh tế hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đã
gây ra những áp lực lên các nguồn tài nguyên và chất lượng môi trường sống của con
người. Ơ nhiễm thuốc kháng sinh trong mơi trường nước là một vấn đề đang được
quan tâm toàn cầu vì nó góp phần vào sự xuất hiện của các vi khuẩn kháng thuốc, cũng
như ảnh hưởng tới sức khỏe môi trường và sức khỏe con người. Dư lượng kháng sinh
trong môi trường phát sinh từ nước thải từ bệnh viện và các hoạt động của con người
với các chủng loại và lượng kháng sinh đa dạng sẽ đi theo nước thải sinh hoạt vào môi
trường. Trong hoạt động chăn ni, đặc biệt là chăn ni cơng nghiệp, để phịng và trị
bệnh, cũng như tăng trưởng cho gia súc, gia cầm, đã khiến một lượng lớn thuốc kháng

1

sinh xâm nhập vào mơi trường qua các dịng thải. Thuốc kháng sinh có mặt trong mơi
trường nước có thể ảnh hưởng tới sức khỏe và sinh trưởng của các lồi sinh vật sống
trong mơi

2

trường nước và có thể khiến cho những vi khuẩn kháng lại các loại thuốc này sống sót
và phát triển, gây ra nguy cơ tăng cao về sự xuất hiện của các vi khuẩn kháng thuốc.

Bên cạnh đó, việc kiểm sốt sự phát thải khí nhà kính cũng đã và đang được tập

trung nghiên cứu nhằm thích ứng và giảm thiểu các tác động của biến đổi khí hậu đối
với cuộc sống của con người. Theo dữ liệu từ Mauna Loa Observatory, nồng độ CO2
trong khơng khí đã tăng liên tục và đạt mức trên 410 ppm vào năm 2021, tăng hơn
45% kể từ thời điểm cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu, chủ yếu do sự đốt cháy
nhiên liệu hóa thạch và phát thải từ các nguồn khác.

Xuất phát từ thực trạng ô nhiễm mơi trường như vậy và những tính năng vượt
trội của phương pháp xúc tác quang hoá, Luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng
hợp hệ vật liệu kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3N4, oxit kim loại (N-TiO2-, -Fe2O3)/g-C3N4
và đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong q trình phân huỷ Oxytetracycline và
chuyển hoá Cacbon dioxit”, tập trung vào các nội dung chính như sau:

1. Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác lai ghép giữa các hạt nano kim loại (Au, Ag,
Pt)/g-C3N4 với hiệu ứng “bẫy điện tử” và plasmon bề mặt và hệ vật liệu oxit kim loại
(N-TiO2-, -Fe2O3)/g-C3N4 với cơ chế xúc tác dạng Z.

2. Nghiên cứu đánh giá khả năng chuyển hoá Cacbon dioxit và phân huỷ
Oxytetracycline của các hệ vật liệu và đề xuất cơ chế quang xúc tác.

2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là chế tạo ra hệ quang xúc tác trên cơ sở tận dụng hiệu ứng
“bẫy điện tử” và hiệu ứng cộng hưởng plasmonic của các kim loại quý (Au, Ag, Pt) và
cơ chế xúc tác dạng Z của các oxit kim loại (N-TiO2-, -Fe2O3) mang trên g-C3N4
trong quá trình phân huỷ thuốc kháng sinh Oxytetracyline và chuyển hố Cacbon
dioxit thành các sản phẩm hữu ích.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Hệ xúc tác kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3N4 và hệ xúc tác oxit kim loại (N-TiO2-,
-Fe2O3)/g-C3N4 trên cơ sở so sánh với hoạt tính quang xúc tác của g-C3N4 tinh khiết.
- Đối tượng xử lý là thuốc kháng sinh Oxytetracyline và khí Cacbon dioxit.

Phạm vi nghiên cứu:
- Các hệ vật liệu được tổng hợp trong phạm vi phịng thí nghiệm bằng phương
pháp siêu âm kết hợp với thuỷ nhiệt.

3

- Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các hệ vật liệu thơng qua q trình phân
huỷ OTC và chuyển hố CO2 trong quy mơ phịng thí nghiệm của Khoa Hố học,
Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: cung cấp bằng chứng về khả năng phân hủy OTC và
chuyển hóa khí CO2 của các hệ vật liệu xúc tác quang bán dẫn thế hệ mới trên cơ sở
cải thiện hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Kết quả đạt được này
sẽ tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng hệ xúc tác kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3N4 và hệ
xúc tác oxit kim loại (N-TiO2-, -Fe2O3)/g-C3N4 có năng lượng vùng cấm hẹp, hạn
chế sự tái kết hợp cặp điện tử và lỗ trống quang sinh, tăng cường sự chuyển điện
tích,... trong lĩnh vực phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm và chuyển hóa khí CO2.
- Ý nghĩa thực tiễn: cung cấp các quy trình chế tạo các vật liệu thế hệ mới gồm
hệ xúc tác kim loại (Au, Ag, Pt)/g-C3N4 và hệ xúc tác oxit kim loại (N-TiO2-, -
Fe2O3)/g-C3N4 để phân hủy OTC và chuyển hóa khí CO2 theo hướng xanh và bền
vững, nhằm mục đích giải quyết vấn đề ơ nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng sống
của con người.

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT THẢI CACBON DIOXIT VÀ CÁC CHẤT
KHÁNG SINH TRONG MÔI TRƯỜNG

1.1.1. Tổng quan về cacbon dioxit
1.1.1.1. Cacbon dioxit (CO2) và sự gia tăng hiệu ứng nhà kính

Cacbon dioxit (khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng
khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai ngun tử ơxy, có
cơng thức cấu tạo là CO2. CO2 là một thành phần của khơng khí sạch, có mặt trong bầu
khí quyển của Trái đất ở nồng độ thấp và không gây nguy hiểm cho con người và sinh
vật. Thông thường, lượng CO2 sản sinh ra một cách tự nhiên cân bằng với lượng CO2
được sử dụng cho quang hợp.

CO2 là khí nhà kính đóng vai trị chủ yếu gây ra sự biến đổi khí hậu [1]. Theo
báo cáo thường niên từ Phịng thí nghiệm giám sát tồn cầu của NOAA (2022), lượng
cacbon dioxit trong khí quyển trung bình tồn cầu là 417,06 ppm vào năm 2022, lập
mức cao kỷ lục mới. Mức tăng từ năm 2021 đến năm 2022 là 2,13 ppm - năm thứ 11
liên tiếp lượng cacbon dioxit trong khí quyển tăng hơn 2 ppm. CO2 trong khí quyển
hiện cao hơn 50% so với mức tiền công nghiệp.

Các hoạt động của con người được ước tính đã gây ra sự nóng lên tồn cầu
trung bình khoảng 1,0oC so với thời kỳ tiền cơng nghiệp, với phạm vi có thể dao động
từ 0,8oC đến 1,2oC. Sự nóng lên tồn cầu có khả năng đạt tới 1,5oC trong khoảng thời
gian từ 2030 đến 2052 nếu hiện tượng này tiếp tục diễn biến với tốc độ hiện tại [2].

Sự nóng lên của trái đất sẽ tiếp tục gây ra những thay đổi dài hạn đối với hệ
thống khí hậu. Đã có rất nhiều nỗ lực nhằm cắt giảm sự phát thải CO2 nhưng vấn đề
này còn phụ thuộc vào khả năng đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu và năng lượng của các
quốc gia cũng như khả năng khai thác các nguồn năng lượng thay thế. Do đó, hướng
thu hồi, lưu trữ và chuyển hố CO2 đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới
quan tâm nghiên cứu.
1.1.1.2. Một số biện pháp kiểm soát sự phát thải CO2

a. Biện pháp chính sách
Các Công ước quốc tế về chống biến đổi khí hậu và tăng cường các hành động
cho một tương lai cacbon thấp bền vững đã đưa tất cả các quốc gia vào một sự nghiệp

5

chung để chống lại biến đổi khí hậu và thích ứng với các tác động của nó. Thỏa thuận
6

Paris được ra đời trên cơ sở sự nỗ lực của các Quốc gia thành viên Công ước khung
của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu tại Hội nghị các bên thành viên ở Paris vào
ngày 12/12/2015. Mục tiêu chung của Thoả thuận Paris là tăng cường phản ứng tồn
cầu đối với mối đe dọa của biến đổi khí hậu bằng cách giữ mức tăng nhiệt độ toàn cầu
trong thế kỷ này dưới 2 độ C so với mức tiền công nghiệp và theo đuổi các nỗ lực hạn
chế sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa ở mức 1,5 độ C.

b. Biện pháp kỹ thuật
 Thu hồi và lưu trữ CO2
Thu hồi và lưu trữ cacbon (Carbon Capture and Storage – CCS) là công nghệ có
thể thu được tới 90% lượng khí thải cacbon dioxit (CO2) được tạo ra từ việc sử dụng
nhiên liệu hóa thạch trong q trình sản xuất điện và cơng nghiệp, ngăn chặn cacbon
dioxit vào khí quyển [3]. Chuỗi CCS bao gồm ba phần: (1) thu giữ cacbon dioxit, (2)
vận chuyển cacbon dioxit và (3) lưu trữ an tồn lượng khí thải cacbon dioxit dưới lòng
đất trong các mỏ dầu và khí đốt đã cạn kiệt hoặc trong tầng chứa nước mặn sâu. Đầu
tiên, các công nghệ thu giữ cho phép tách cacbon dioxit ra khỏi các khí được tạo ra
trong các q trình sản xuất điện và cơng nghiệp bằng một trong ba phương pháp: thu
trước khi đốt, thu sau đốt và đốt nhiên liệu - oxy (oxyfuel). Cacbon dioxit sau đó được
vận chuyển bằng đường ống hoặc bằng tàu để lưu trữ an tồn. Cacbon dioxit sau đó
được lưu trữ trong các lớp kiến tạo địa chất đã được khảo sát và lựa chọn cẩn thận,
thường nằm cách bề mặt trái đất vài km. Quá trình thu hồi CO2 có thể thực hiện bằng

phương pháp hấp thụ khi nồng độ CO2 tương đối thấp, phương pháp hấp phụ vật lý ở
quy mô nhỏ, phương pháp phân tách bằng màng theo nhiều giai đoạn, phương pháp
làm lạnh trong trường hợp dịng khí có nồng độ CO2 cao (> 90%).
Một giải pháp để giảm trực tiếp lượng CO2 phát thải vào khơng khí là chuyển
loại khí này thành dạng lỏng, sau đó đem lưu trữ và dùng cho mục đích cơng nghiệp.
Tuy nhiên, lưu trữ dưới dạng lỏng tạo ra ẩn chứa nhiều rủi ro, một trong số đó là việc
rị rỉ ra môi trường cũng như nguy cơ cháy nổ. Với phương pháp biến CO2 thành
cacbon dạng rắn - về bản chất như một loại than - việc lưu trữ sẽ dễ dàng hơn, đồng
thời sẽ dễ sử dụng trong cả công nghiệp lẫn cuộc sống hằng ngày.
 Chuyển hoá CO2 thành sản phẩm hữu ích
Bên cạnh những nỗ lực nhằm thu hồi và lưu trữ CO2 trong các “bể chứa” trên
lục địa cũng như đáy đại dương, có rất nhiều nghiên cứu nhằm biến đổi CO2 thành các

7

sản
8