Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng quang xúc tác của g c3n4 khi pha tạp một số kim loại đất hiếm (nd, y)”

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi
dưới sự chỉ đạo khoa học của thầy(cô) hướng dẫn. Các số liệu và tài liệu được
trích dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng
với bất cứ công trình nào đã được công bố.
Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 10 năm 2018
Học viên

Đinh Thị Hương

1


LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS.
Lê Thị Mai Oanh – Giảng viên khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm Hà Nội
đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu
để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đỗ Danh Bích đã quan
tâm, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình
hoàn thành luận văn.
Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới NCS. Lâm Thị Hằng đã quan
tâm, hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong
quá trình học tập nghiên cứu. Cảm ơn gia đình đã luôn là điểm tựa vững chắc
về cả vật chất và tinh thần để tôi có cơ hội học tập, làm việc và hoàn thành
luận văn của mình.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ
Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2016.46.
Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 năm 2018
Học viên

Đinh Thị Hương

2


DANH MỤC VIẾT TẮT

STT

Viết tắt

Tên đầy đủ

1

DFT

Diffusion reflectance spectra

Phương pháp phản xạ
khuếch tán

2

JCPDS

Joint Committee on powder

difraction standards

Thẻ chuẩn

3

PL

Photoluminescence

Huỳnh quang

4

SPR

Surface plasmon resonance

5

SEM

Scanning electron microscope

6

TEM

Transmission electron
microscope

Cộng hưởng plasmon
bề mặt
Kính hiển vi điện tử
quét
Kính hiển vi điện tử
truyền qua

7

UV

Ultraviolet

Tử ngoại

8

Vis

Visible

Nhìn thấy

9

XRD

X-ray Difraction

Nhiễu xạ tia X

MỤC LỤC

3

Nghĩa tiếng việt


4


DANH MỤC BẢNG

5


DANH MỤC HÌNH

6


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Việt Nam là một trong mười nước chịu ảnh hưởng nhiều nhất của
vấn đề biến đổi khí hậu. Nguyên nhân chủ yếu là do các loại chất thải mà
con người thải ra môi trường khi chưa được xử lý, chủ yếu là các chất hữu
cơ độc hại bền về mặt hóa học và khó phân hủy sinh học. Việc tìm ra
phương pháp xử lý các chất thải hữu cơ là một thách thức lớn đối với các

nhóm nghiên cứu. Hiện nay phương pháp quang xúc tác đang thể hiện là
phương pháp có tiềm năng lớn trong vấn đề xử lý chất thải hữu cơ gây ô
nhiễm môi trường bởi các ưu điểm như: giá thành rẻ, hiệu quả cao và an
toàn.
Quang xúc tác là phương pháp sử dụng ánh sáng làm xúc tác quang
học thúc đẩy quá trình phản ứng hóa học phân hủy các chất hữu cơ. Các
chất bán dẫn phổ biến được sử dụng làm xúc tác quang học như: TiO 2,
ZnO, WO3 [6], [9], [20]. Tuy nhiên những vật liệu này có nhược điểm là
độ rộng vùng cấm lớn, hiệu suất lượng tử thấp. Độ rộng vùng cấm của
TiO2 khoảng 3,3 eV, của ZnO là khoảng 3,27 eV. Do đó, những vật liệu
này chỉ có phản ứng quang xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại (chiếm ít
hơn 5% ánh sáng mặt trời) [6].
Gần đây vật liệu g-C 3N4 được rất nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu
vì g-C 3N4 có độ rộng vùng cấm trung bình (2,7 eV) [14], [26], thể hiện
khả năng quang xúc tác ở trong vùng ánh sáng nhìn thấy, chịu nhiệt tốt,
tính ổn định hóa học cao, an toàn và không tốn kém [11]. Thích hợp cho
các ứng dụng cho các phản ứng phân hủy quang xúc tác, tách nước, phân
hủy CO2 …[14], [24].
Tuy nhiên g-C 3N4 tinh khiết có nhược điểm là: tốc độ tái tổ hợp điện
tử - lỗ trống nhanh, diện tích bề mặt nhỏ, hiệu suất lượng tử thấp [ 16] làm
giảm hiệu quả quang xúc tác. Để tăng khả năng quang xúc tác của g-C 3N4
7


các nghiên cứu được thực hiện theo hai hướng: pha tạp kim loại Fe [ 12],
Zn [27], tải hạt kim loại Ag [14], Pt [18], [22], [28]; phi kim B [21] [26],
O [1], S [3], P [7], V [4], C [5] chế tạo các vật liệu tổ hợp với các vật liệu
khác [2], [29]…. Các kết quả ban đầu đều cho thấy khả năng quang xúc
tác của vật liệu g-C 3N4 được cải thiện khi được pha tạp với một số vật liệu
thích hợp.

Trong phương pháp pha tạp g-C 3N4 với kim loại thì các kim loại đất
hiếm đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Pha tạp g-C 3N4 với các
nguyên tố kim loại đất hiếm làm tăng không gian giữa các lớp liên kết và
hạn chế sự tái tổ hợp của các điện tử lỗ trống trong phân tử. Do các ion
đất hiếm có bán kính lớn hơn các phân tử kim loại hoặc phi kim khác dẫn
tới việc tách các điện tử và lỗ trống trong quá trình quang xúc tác. Qua
đó, tăng hiệu quả quang xúc tác.
Tuy nhiên các nghiên cứu về g-C 3N4 pha tạp các kim loại đất hiếm
còn khá hạn chế [24]. Việc mở rộng nghiên cứu hiệu quả của việc pha tạp
kim loại đất hiếm nhằm tăng khả năng quang xúc tác là hết sức cần thiết.
Trên cơ sở tham khảo các kết quả đã được công bố và điều kiện tại Khoa
Vật lí – Trường Đại học sư phạm Hà Nội, chúng tôi lựa chọn hướng nghiên
cứu của luận văn là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng quang
xúc tác của g-C 3N4 khi pha tạp một số kim loại đất hiếm (Nd, Y)”.
2. Mục tiêu của đề tài
- Chế tạo thành công vật liệu g-C 3N4.
- Chế tạo thành công vật liệu g-C 3N4 pha tạp một số kim loại đất hiếm (Nd,
-

Y) có khả năng quang xúc tác dưới ánh đèn Xenon.
Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang học của vật liệu chế tạo được.
Nghiên cứu sự tăng cường hiệu quả quang xúc tác của g-C 3N4 bằng việc
pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp thông qua việc phân hủy chất

hữu cơ.
3. Cấu trúc của luận văn

8

Nội dung chính của luận văn này được chia thành 3 phần như sau:
- Chương 1: Tổng quan
Trình bày khái quát về vật liệu g-C 3N4: cấu trúc tinh thể, cấu trúc
điện tử, tính chất vật lý và ứng dụng của vật liệu.
- Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm

Phương pháp chế tạo vật liệu g-C 3N4 và g-C 3N4 pha tạp Nd, Y.
Phương pháp tiến hành quang xúc tác.
- Chương 3: Kết quả và thảo luận.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về vật liệu g-C3N4

1.1.1. Cấu trúc tinh thể của g-C3N4
g-C3N4 là cacbon nitrit dạng graphit. Các dạng thù hình của cacbon nitrit
bao gồm: α-C3N4, β-C3N4, khối C3N4, prsedocubic - C3N4 và graphit - C3N4 (gC3N4) được đưa ra bởi Teler và Hemley [15], [19]. Trong đó g-C3N4 là dạng
thù hình ổn định nhất ở môi trường không khí [23]. Graphit C3N4 có cấu trúc
laminar, các nguyên tử C và N trong tinh thể liên kết với nhau theo nguyên tắc
lai hóa sp2 tạo thành các mặt phẳng graphit được xếp chồng lên nhau theo
kiểu so le [30].

Hình 1.1 Mặt phẳng liên kết của các nguyên tử Cacbon và Nitơ trong tinh thể
g-C3N4 [17].
Theo mô tả của Teler và Hemley thì những đơn lớp g-C 3N4 có cấu tạo lục
giác như những vòng triazine. Sự liên kết chéo giữa các vòng được thực hiện
bởi nitơ bậc 3. Trong cấu trúc này C chỉ thể hiện kiểu lai hóa sp2 còn N thể
hiện kiểu lai hóa sp2, sp3 ở bên trong và ở giữa các vòng.

10


( a)

( b)

Hình 1.2. Mô hình (a) s-triazine và (b) tri-s-trazine dựa trên kết nối
trong g-C3N4 [16].
g-C3N4 là một polyme liên hợp gồm chủ yếu là các nguyên tử C và N, là
một mạng dựa trên các khối xây dựng s-triazine [23]. Trên hình 1.2 có thể
thấy hai cấu trúc của g-C3N4 là: gt-C3N4 và gh-C3N4. Liu và Wentzcovitch đã
đề xuất gt-C3N4 (hình 1.2a) ba gồm các đơn vị s-triazine ngưng tụ (vòng
C3N3) được sắp xếp liên tiếp nhau. Còn gh-C 3N4 (hình 1.2b) được xây dựng
dựa trên các đơn vị heptazin (tri-ring) của C6N7. Tức là gh-C 3N4 bao gồm
các tiểu đơn vị tri-s-triazine ngưng tụ được kết nối qua các nhóm amin bậc
ba [16]. Sử dụng phép tính toán DFT, Kroke et al. cho thấy rằng cấu trúc
tri-s-triazine có cấu trúc 30 KJ/mol ổn định hơn so với s-triazine. Từ đó các
đơn vị cấu trúc tri-s-triazine được cho là đơn vị cơ bản cho sự hình thành
mạng lưới g-C3N4.

Hình 1.3 Ảnh TEM về mặt tinh thể g-C3N4 tinh khiết [17].
11


Từ ảnh TEM thấy được rằng bề mặt tinh thể nano g-C 3N4 thể hiện hình
thái như các nanosheet.
1.1.2. Cấu trúc điện tử của g-C3N4
Cấu trúc dải năng lượng quyết định các hiện tượng quang học của vật

liệu. Do đó cấu trúc điện tử là cơ sở quan trọng nhất để giải thích tính chất
quang học của vật liệu. Mức độ giảm và quá trình oxy hóa có liên quan đến vị
trí của đường viền và đường dẫn điện.
Hàm mật độ DFT được sử dụng để tính toán độ rộng vùng cấm trong
nhiều chất bán dẫn khác nhau. Kết quả của một số nhóm nghiên cứu đã chỉ ra
rằng độ rộng vùng cấm của g-C3N4 tinh khiết vào khoảng 2.72 eV (theo Dong
et al) ở hình 1.4a. Tuy nhiên việc tính toán độ rộng vùng cấm trong thước đo
Perdew – Burke do Liu và cộng sự thực hiện chỉ ra rằng g-C 3N4 có bề rộng
vùng cấm là 2.76 eV [14].
(a)

(b)
Energy(eV)

Hình 1.4 Bề rộng vùng cấm [5] và cấu trúc vùng năng lượng của g-C3N4 tinh
khiết [13].
1.1.3. Tính chất vật lý của g-C3N4
1.1.3.1. Ổn định nhiệt
Theo công bố của Xinchen Wang và công sự năm 2012, phân tích nhiệt
(TGA) trên g-C3N4 cho thấy g-C3N4 là chất ổn định nhiệt tốt (lên tới 6000C),
không bay hơi trong không khí. Một đỉnh nhiệt mạnh xuất hiện ở 630 0C, tại

12


nhiệt độ đó độ cứng bị giảm hoàn toàn cho thấy sự phân hủy nhiệt và bốc hơi
hoàn toàn của các lá g-C3N4 [23]. Tuy nhiên g-C3N4 có nhiệt độ ổn định cao
hơn tất cả các polyme có độ bền nhiệt cao chẳng hạn như polyamit thơm và
inude [16], [23].
1.1.3.2. Ổn định hóa học

Tương tự như graphite việc xếp chồng các lớp tương tác Vander Waals
được tối ưu hóa giữa các lớp các cacbon nitride đơn lẻ làm cho g-C3N4 không
hòa tan được trong hầu hết các dung môi bao gồm nước, rượu, DMF, THF,
dietyl ete, toluen,…[23].
1.1.3.3. Tính chất quang
Không giống TiO2 chỉ là một chất quang xúc tác ở vùng tia cực tím, gC3N4 hoạt động ở vùng ánh sáng nhìn thấy được do bề rộng vùng cấm khoảng
2,7 eV [16]. Tính chất quang học của cacbon nitride được thể hiện ở hầu hết
các thí nghiệm như hấp thụ tia cực tím, quang phát quang. Tính chất hấp thụ
mạnh nhất ở bước sóng 420 nm. Điều này phù hợp với màu vàng nhạt của nó.
Tính chất phát huỳnh quang mạnh màu xanh ở nhiệt độ phòng. Phạm vi phát
quang rộng từ 430 nm đến 550 nm, đỉnh phát quang ở 470 nm. Tuổi thọ
huỳnh quang khoảng 1 ns đến 5 ns [23].

Hình 1.5 Phổ huỳnh quang (PL) của g-C3N4 tinh khiết [23].
1.1.3.4. Diện tích bề mặt
13


Hình 1.6 Ảnh SEM bề mặt của các lá g-C3N4 [17].
Nhiều nghiên cứu khoa học đều cho thấy rằng diện tích bề mặt của các
tấm g-C3N4 tương đối lớn, khoảng 10 m2/g [17], [23], [25].
1.2. Ứng dụng của vật liệu g-C3N4
Cấu trúc bề rộng vùng cấm làm cho cacbon nitrit trở thành một ứng
viên đầy triển vọng cho các ứng dụng chuyển đổi năng lượng mặt trời, chẳng
hạn như các tế bào quang điện. Thật vậy g-C3N4 có thể hoạt động dưới ánh
sáng khả kiến (nm). Tính ổn định hóa học và nhiệt cao của nitrit cacbon cho
phép tế bào quang điện hoạt động trong không khí.
Các ứng dụng điển hình của vật liệu g-C 3N4 là phản ứng tách nước,
chuyển hóa H2 và phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như: Xanh Methylen,
Rhodamin B…

1.3. Vật liệu g-C3N4 pha tạp
Để nâng cao hiệu suất quang xúc tác các nghiên cứu theo hướng pha
tạp g-C3N4 với một số chất là kim loại và phi kim. Các kết quả ban đầu cho
thấy rằng việc pha tạp là thay đổi khả năng quang xúc tác theo hướng khả
quan so với mẫu g-C3N4 tinh khiết.
14


1.3.1. Vật liệu g-C3N4 pha tạp phi kim
Chất rắn cacbon nitrit pha tạp flo đã được tổng hợp bằng cách sử dụng
butyl methylimidazolium – BF4 như là một mẫu mềm. Kết quả cho thấy rằng
mẫu cacbon nitrit pha tạp flo với tỉ lệ 0,5 có diện tích bề mặt 444 m 2/g và tổng
khối lượng rỗng là 0,32 m2/g. Vật liệu g-C3N4 pha tạp photpho cung cấp độ
dẫn điện tốt hơn 4 lần [23].
1.3.2. Vật liệu g-C3N4 pha tạp kim loại
1.3.2.1. Vật liệu g-C3N4 pha tạp đồng (Cu)
Kim loại Cu đã được pha tạp vào tiền chất g-C 3N4 để nghiên cứu xem nó
có cải thiện khả năng quang xúc của g-C3N4 hay không. Graphit cacbon pha tạp
với đồng (Cu) được kí hiệu Cu/mpg-C3N4. Kết quả cho thấy rằng Cu2+ được pha
tạp vào đã thay đổi các đặc tính quang học, ảnh hướng đến cấu trúc vùng năng
lượng và tăng tỉ lệ phân tách electron – lỗ trống của g-C3N4 [10].

Hình 1.7 Hoạt động quang xúc tác của g-C3N4, mpg-C3N4 và Cu/mpg-C3N4
khi phân giải hợp chất hữu cơ MO (methyl orange) [10].
Khả năng quang xúc tác của Cu/mpg-C3N4 được đánh giá bằng khả
năng phân hủy MO dưới ánh sáng khả kiến. Tốc độ phân hủy MO đạt

15

90,2% trong 120 phút chiếu sáng. Tốc độ này cao hơn 4 lần so với g-C 3N4
tinh khiết [10].
1.3.2.2. Vật liệu g-C3N4 pha tạp bạc (Ag) [14].
Để cải thiện khả năng quang xúc tác của g-C 3N4, phương án gC3N4/Ag-Ppy được đưa ra. Trong đó bề mặt g-C3N4 được phủ một lớp Ag cỡ
nhỏ và bên trên phủ một lớp polypyrrole (PPy). Các kết quả cho thấy rằng khi
pha bạc vào g-C3N4 làm kích thước hạt giảm xuống khoảng 1,6 nm đến 2,2
nm . Kích thước các hạt nhỏ sẽ làm tăng cường hiệu ứng SPR (cộng hưởng
plasmon bề mặt).
Phổ UV-vis cho thấy bước sóng hấp thụ tối đa giảm dần cho đến khi
phản ứng hoàn thành ở 50 phút, màu dung dịch dần dần thay đổi từ màu hồng
ban đầu thành không màu. Sau khi chiếu sáng 50 phút hiệu suất phân hủy
RhB của mẫu g-C3N4 là 79,0%, g-C3N4/Ag là 87,7% và g-C3N4/PPy là 84,9%.
Đặc biệt, khả năng tái chế cũng là đặc tính quan trọng của quang xúc
tác. Như trên hình 2D mẫu g-C3N4/Ag-Ppy duy trì trên 95% hiệu quả hoạt
động quang xúc tác so với ban đầu, ngay cả sau 5 thí nghiệm tái chế, cho thấy
khả năng tái sử dụng tuyệt vời của g-C3N4.

16


Hình 1.8 (A) Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch RhB theo thời gian chiếu xạ
trên các mẫu g-C3N4/Ag-Ppy; (B) đường hiệu suất phân hủy RhB trên các
mẫu quang xúc tác khác nhau; (C) hằng số tốc độ k của các chất quang xúc
tác khác nhau; (D) thí nghiệm tái chế của các mẫu: (a) không có xúc tác
quang học; (b) g-C3N4; (c) g-C3N4/Ag; (d) g-C3N4/ Ppy [14].
Kết quả trên cho thấy cường độ huỳnh quang suy giảm đáng kể, tức là
sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống bị hạn chế. Nguyên nhân do hình thành hàng
rào Schottky ngăn cản giữa PPy và g-C3N4 và các hạt nano Ag.
1.3.2.3. Vật liệu g-C3N4 pha tạp đất hiếm
Giả thuyết đặt ra là pha tạp đất hiếm vào g-C 3N4 có khả năng làm tăng

khả năng quang xúc tác. Hiện nay chỉ có một báo cáo công bố kết quả về gC3N4 pha tạp Y [24] và chưa có bài báo nào công bố kết quả g-C 3N4 pha tạp
Nd.
Yttri là một kim loại đất hiếm, g-C 3N4 pha tạp Y (Yttri) kí hiệu là
Y/g-C3N4. Thực tế trong nghiên cứu đã công bố của Yangang Wang và cộng
sự cho thấy rằng khi pha tạp Y đã tăng khả năng quang xúc tác của g-C 3N4.

17


Kết quả trên cũng cho thấy không có sự thay đổi rõ rệt trong pha tinh
thể của g-C3N4 với sự tăng độ pha tạp Y và không có các đỉnh nhiễu xạ đáng
kể của kim loại Y hoặc Yttrium oxide trong các mẫu Y/g-C 3N4, chỉ ra rằng các
phân tử Y được gắn vào mặt phẳng và phối hợp với mạng tinh thể g-C 3N4
bằng liên kết YN. Tuy nhiên cả hai đỉnh nhiễu xạ đều bị suy yếu khi tăng tỉ lệ
pha tạp Y có thể là do các sai hỏng gây ra bởi không có sự trùng hợp hoàn
toàn trong kết quả. Độ rộng vùng cấm, diện tích bề mặt BET và khối lượng lỗ
rỗng (bảng 1) đều giảm với tỉ lệ pha tạp của Y, nhưng khi tỉ lệ pha tạp quá lớn
thì cả ba yếu tố trên đều lớn hơn so với g-C3N4 tinh khiết.
Bảng 1.1 Các tính chất kết cấu và khoảng cách dải năng lượng của các chất
xúc tác x Y/g- C3N4 [24].
Mẫu

SBET
(m2/g)

Kích thước lỗ
hổng (nm)

Thể tích lỗ trống
(cm3/g)

Eg (eV)

g-C3N4

68

2,7

30,6

0,718

2,7

0,1Y/g-C3N4

106

2,7

30,2

1,177

2,58

0,25Y/g-C3N4

103

2,7

29,9

1,131

2,50

0,5Y/ g-C3N4

83

2,7

30,5

0,789

2,55

1,0Y/ g-C3N4

39

2,7

30,5

0,492

2,61

Hiệu suất quang xúc tác của g-C3N4 được đánh giá thông qua thí
nghiệm phân giải RhB dưới ánh sáng khả kiến. Mẫu 0,25Y/g-C3N4 cho thấy
hiệu suất phân hủy RhB cao nhất và phân hủy gần 100% trong vòng 110 phút
chiếu ánh sáng. Còn các mẫu 0,5Y/g-C3N4 và 1,0Y/g-C3N4 cho thấy sự sụt
giảm hiệu quả quang xúc tác do pha tạp Y quá mức vì pha tạp quá mức dẫn
đến sự hình thành các sai hỏng trong cấu trúc và lỗ rỗng.

18


Thời gian (phút)
Hình 1.9 Biểu diễn quang xúc tác của các chất xúc tác x Y/g- C3N4 trong quá
trình phân hủy RhB dưới sự chiếu xạ ánh sáng khả kiến [24].
Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy việc pha tạp g-C 3N4 còn nhiều
nhược điểm cần cải thiện như: bước sóng hấp thụ nhỏ (ở vùng ánh sáng tử
ngoại), thời gian để phản ứng phân hủy hoàn thành dài nên hiệu suất không
lớn và một số mẫu pha tạp sẽ bị oxi hóa nếu để trong thời gian dài. Vì vậy với
kết quả ban dầu (pha tạp kim loại đất hiếm Ytri có hiệu suất gần như 100%
sau 110 phút chiếu sáng) việc pha tạp các kim loại đất hiếm đang là một
phương án đầy triển vọng.
1.4. Hoạt động quang xúc
Quang xúc tác là hiện tượng sử dụng ánh sáng để làm xúc tác cho các
phản ứng hóa học [23]. Trong quá trình quang xúc tác một loạt các phản ứng
xảy ra bao gồm các electron (e-), lỗ trống (h+), gốc hydroxyl (OH) được hình
thành. Nếu chất quang xúc tác được lựa chọn tốt, việc sử dụng một trung tâm
quang có thể mang lại hiệu quả cao về mặt hóa trị và tái sử dụng. Đặc biệt do
sử dụng nguồn nhiên liệu giá rẻ và sạch là ánh sáng mặt trời, nên phản ứng

19


quang xúc tác được ứng dụng nhiều trong bảo vệ môi trường. Hai yếu tố
chính của phản ứng quang xúc tác là: chất xúc tác và ánh sáng [23].
Trong quá trình quang xúc tác electron của chất xúc tác nhận thêm năng
lượng, bị kích thích, chuyển từ trạng thái cơ bản (vùng hóa trị) lên trạng thái
kích thích (vùng dẫn).
Quá trình quang xúc tác cụ thể:

Hai phản ứng quan trọng trong quang xúc tác là: phản ứng phân tách
nước (khử H2) và oxy hóa hoặc phân hủy hợp chất hữu cơ.
(1)
(2)
Từ phương trình (1) và (2) cho thấy năng lượng cần thiết ít nhất 1,23 V,
điều này ứng với bước sóng ánh sáng 690 nm.

20


Hình 1.10 Quá trình quang xúc tác của g-C3N4 dưới ánh sáng nhìn thấy: (a)
Sự tách hydro từ nước, (b) sự oxy hóa nước thành O2 và (c) quá trình oxy hóa
hoặc phân hủy hợp chất hữu cơ.

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chuẩn bị mẫu
2.1.1. Các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm
Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm
STT

21

Công thức hóa
học

Tên hóa chất

Độ sạch


1
2
3
4
5
6

(NH2)2CO
Nd(NO3)3.6H 2O
Y(NO3)3.6H2O
H2O
C2H5OH
C28H31CN2O3

Ure
Neodymium nitrat
Yttri nitrat
Nước cất
Cồn ethanol

Rhodamine B

99%
99%
99%
95%
99%
90%

2.1.2. Chế tạo g-C 3N4
Urê ((NH2)2CO) được nung ở nhiệt độ 550 0C trong 2 giờ. Sản phẩm
thu được có màu vàng, nghiền nhỏ bột đó ta thu được bột g-C 3N4.
2.1.3. Tổng hợp g-C3N4 pha tạp Nd và g-C3N4 pha tạp Y
- Lấy 0,5g g-C 3N4 cho vào trong 20 ml H 2O và sau đó khuấy từ
trong 30 phút được dung dịch A.
- Lấy một lượng thích hợp các chất pha tạp Nd (neodymi) hoặc Y (Ytri)
theo tỉ lệ 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% (tỉ lệ phần trăm theo số
mol) cho vào dung dịch A, khuấy từ trong 15 giờ ở 900C ta được dung dịch B.
- Sau đó ta tiến hành lọc rửa:
+ Cho dung dịch B vào ống li tâm, quay li tâm ở khoảng 5000 rpm trog
10 phút, sau đó dùng pipet rút hết phần dung dịch phía trên trong ống li tâm.
Tiếp tục cho ethanol vào ống li tâm, lắc đều và tiếp tục quay li tâm.
+ Tiến hành lọc rửa 3 lần liên tiếp.
- Sấy khô mẫu ở 1000C trong khoảng 3 giờ được mẫu g-C3N4 pha tạp
Nd theo các tỉ lệ số mol: 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% và
mẫu g-C3N4 pha tạp Y theo các tỉ lệ số mol: 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%,
8%, 9%, 10%.
- Kí hiệu các mẫu như sau:
Bảng 2.2 Bảng kí hiệu của các mẫu g-C3N4 tinh khiết, g-C3N4 pha tạp Nd và
g-C3N4 pha tạp Y.

STT
1
2
3
22

Tỉ lệ số mol Nd/g-C 3N4
0%
1%
2%

Tên mẫu
CN
CNNd-1
CNNd-2


4
5
6
7
8
9
10
11

3%
4%
5%
6%

7%
8%
9%
10%

CNNd-3
CNNd-4
CNNd-5
CNNd-6
CNNd-7
CNNd-8
CNNd-9
CNNd-10

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Tỉ lệ số mol Y/g-C 3N4
1%
2%
3%

4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%

Tên mẫu
CNY-1
CNY-2
CNY-3
CNY-4
CNY-5
CNY-6
CNY-7
CNY-8
CNY-9
CNY-10

2.2. Quá trình quang xúc tác
2.2.1. Chuẩn bị

- 0,06 g mẫu (các mẫu g-C3N4, g-C3N4 pha tạp Nd, Y theo tỉ lệ 1%, 2%,
3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%.
- 30 ml H2O (nước cất).
- 30 ml RhB (Rhodamine B) 20 ppm.
- Các dụng cụ: máy khuấy từ, con từ, đèn Xenon, cốc thủy tinh, pipet,
ống li tâm, ống đựng mẫu.
2.2.2. Tiến hành quang xúc tác

- Cho 0,06 g mẫu vào 30 ml H2O, khuấy từ trong vòng 30 phút ở nhiệt
độ phòng ta được dung dịch A.

23


- Khuấy tối: Cho dung dịch A vào 30 ml RhB, khuấy từ trong điều kiện
không có ánh sáng trong vòng 30 phút. Tiến hành lấy mẫu 2 lần trong thời
gian khuấy tối.
Lần 1: khuấy tối 10 phút. Lần 2: khuấy tối 30 phút. Kí hiệu các mẫu là
T10, T30.
- Khuấy sáng: Đặt dung dịch A + RhB dưới đèn Xenon, khuấy từ trong
120 phút ở nhiệt độ phòng. Lấy mẫu 6 lần trong thời gian khuấy sáng, cứ 20
phút lấy mẫu 1 lần. Kí hiệu các mẫu lần lượt là: S20, S40, S60, S80, S100, S120.
- Li tâm: Các mẫu được li tâm ít nhất 2 lần để loại bỏ g-C3N4.

24


2.3. Một số phương pháp phân tích
2.3.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD)

Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD – Quantitative Xray Difraction methods)
là một phương pháp được áp dụng để xác định thành phần các chất có trong
mẫu. Phép đo được thực hiện dựa trên nguyên lý hiện tượng nhiễu xạ của tia
X sau khi tương tác với mẫu. Ống âm cực trong máy XRD tạo ra các chùm tia
có bước sóng liên tục, sau đó người ta sử dụng bộ lọc tia để lọc ra bức xạ đơn
sắc và tia X đơn sắc được chiếu về phía mẫu.
Kết quả phổ XRD cho chúng ta hai thông tin là vị trí của đỉnh phổ và
cường độ đỉnh. Đỉnh nhiễu xạ sẽ đặc trưng cho cấu trúc mạng tinh thể có

trong chất rắn nên mỗi chất sẽ có những đỉnh nhiễu xạ đặc trưng. Thông qua
việc so sánh vị trí của đỉnh, cường độ của đỉnh, độ bán rộng của đỉnh so với
mẫu chuẩn chúng tác có thể xác định được thành phần các chất có trong mẫu.
Khi một chùm tia X đơn sắc truyền qua một mẫu tinh thể nó đi sâu vào
bên trong mạng tinh thể, tương tác với các electron trong nguyên tử dẫn đến
sự tán xạ.

Hình 2.1 Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X.
Các nguyên tử trong mạng tinh thể của các chất có cấu trúc tuần hoàn
liên tục. Nên mạng tinh thể giống như một cách tử nhiễu xạ.

25