Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang hóa vùng khả kiến trên cơ sở biến tính hợp chất của tantan và khả năng ứng dụng trong xử lý môi trường

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

NGUYỄN THỊ PHƢƠNG LỆ CHI

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC
QUANG HÓA VÙNG KHẢ KIẾN TRÊN CƠ SỞ
BIẾN TÍNH HỢP CHẤT CỦA TANTAN VÀ KHẢ
NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MƠI TRƢỜNG

Chun ngành : Hóa mơi trƣờng
Mã số

: 9440112.05

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2019


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học KHTN, ĐHQG
Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Nguyễn Văn Nội
2. TS. Nguyễn Minh Phương

Phản biện:

....................................
....................................

Phản biện:

....................................
....................................

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Cơ sở chấm
luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
...................................... .................
. . . . . . . . . . . . . . . vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm 20. . . . . ..

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội


LỜI MỞ ĐẦU
Phân hủy các chất hữu cơ trong nước bằng vật liệu xúc tác quang
đang là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn nhằm cung cấp môi trường
nước trong sạch cho nhân loại. Sử dụng phương pháp quang xúc tác để
phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm là một trong những phương pháp tiềm
năng và hiệu quả vì có các ưu điểm như: phương thức tiến hành đơn giản,
chi phí hợp lý và thân thiện với mơi trường. Phương pháp này cho phép
phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững thành các chất vô cơ như CO2,

H2O,... Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn đó, chúng tơi chọn nghiên
cứu đề tài về "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang hóa vùng khả
kiến trên cơ sở biến tính hợp chất của tantan và khả năng ứng dụng trong
xử lý môi trường" với mục tiêu là tạo ra các hệ vật liệu lai ghép có năng
lượng vùng cấm hẹp và hoạt tính quang hóa vượt trội so với từng hợp phần
riêng rẽ nhằm ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong mơi trường
nước và chuyển hố năng lượng.
NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Điều chế thành công các vật liệu xúc tác quang Ta3N5, BiVO4 và gC3N4 từ các tiền chất tương ứng Ta2O5, Bi(NO3)2, NH4VO3 và
(NH2)2CO.
2. Nghiên cứu qui trình điều chế vật liệu xúc tác quang thế hệ mới
Ta3N5/BiVO4 và Ta3N5/g-C3N4 từ các tiền chất tương ứng.
3. Tổng hợp thành công vật liệu xúc tác quang thế hệ mới
Ta3N5/BiVO4 và Ta3N5/g-C3N4 có hoạt tính quang xúc tác cao trong
vùng ánh sáng nhìn thấy thơng qua phản ứng phân hủy RhB và
chuyển hóa khí CO2.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
Phần tổng quan bao gồm 4 nội dung chính:
Nội dung 1: Giới thiệu tổng quan về vật liệu xúc tác quang thế hệ mới và
các vật liệu Ta3N5, g-C3N4, BiVO4.
Nội dung 2: Tổng quan về một số hệ vật liệu bán dẫn lai ghép thế hệ mới
và hoạt tính quang xúc tác.
Nội dung 3: Cơ sở khoa học về việc lai ghép các hệ vật liệu xúc tác
quang thế hệ mới Ta3N5/BiVO4 và Ta3N5/g-C3N4.
Nội dung 4: Ứng dụng của các hệ vật liệu xúc tác quang thế hệ mới
tương tự các hệ vật liệu Ta3N5/BiVO4 và Ta3N5/g-C3N4.
1


CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM

1. Tổng hợp vật liệu
a) Tổng hợp vật liệu Ta3N5 bằng phương pháp nhiệt pha rắn
Bột Ta2O5 được cho vào thuyền sứ và được đặt trong lò nung ngang.
Bột Ta2O5 được nung ở 1000 oC với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút trong 10 giờ
trong dịng khí amoniac (Khí N2 được dùng để đuổi khơng khí trước khi bật
lò nung). Dòng NH3 được cấp liên tục với lưu lượng 60 mL/phút. Sau thời
gian 10 giờ, để nguội lò nung tự nhiên về nhiệt độ phòng trong điều kiện
cấp khí N2 liên tục, thu được vật liệu Ta3N5.
b) Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ ure bằng phương pháp nhiệt pha rắn
Ure được cho vào cối mã não nghiền mịn, sau đó cho vào chén sứ, bọc
kín bằng nhiều lớp giấy tráng nhôm (nhằm ngăn cản sự thăng hoa của tiền
chất cũng như làm tăng cường sự ngưng tụ tạo thành g-C3N4), đặt vào lị
nung. Nung nóng các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau (500, 550 và 600 oC) và
giữ nhiệt độ này trong 1 giờ với tốc độ gia nhiệt 5 oC/phút. Cuối cùng, lò
được làm nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng, nghiền mịn thành bột, thu được
vật liệu g-C3N4.
c) Tổng hợp vật liệu BiVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt
Bước 1: Chuẩn bị 5 mmol Bi(NO3)3.5H2O được phân tán hoàn toàn
trong 10 mL axit nitric và khuấy liên tục (dung dịch 1). Chuẩn bị 5 mmol
NH4VO3 được phân tán trong 60 mL nước nóng (khoảng 80 oC) (dung dịch
2).
Bước 2: Dung dịch 2 được cho vào dung dịch 1, đem siêu âm 20 phút
và khuấy trong 30 phút, thu được huyền phù màu vàng, sau đó hiệu chỉnh
pH đạt 9 bằng cách thêm từ từ dung dịch NH3 25% và tiếp tục khuấy liên
tục trong 2 giờ.
Bước 3: Huyền phù sau khi khuấy liên tục trong 2 giờ được cho vào
bình thủy nhiệt. Quá trình thủy nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ 140 ℃ trong
20 giờ.
Bước 4: Hỗn hợp sau thủy nhiệt được đem ly tâm, rửa bằng etanol và
nước cất hai lần, sấy khô trong khơng khí ở 60 ℃ trong 12 giờ.

Bước 5: Chất rắn màu vàng sau khi sấy được nung ở nhiệt độ 600 oC,
tốc độ gia nhiệt 5 oC/phút trong 2 giờ, thu được vật liệu BiVO4.
d) Tổng hợp vật liệu Ta3N5/BiVO4
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính quang xúc tác của
Ta3N5/BiVO4
Bước 1: Lấy một lượng Ta3N5 và BiVO4 cho vào 2 cốc thủy tinh theo
tỷ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 là 2%, phân tán riêng biệt bằng dung dịch
2


etanol và nước, khuấy từ trong 30 phút, thu được các huyền phù tương ứng.
Bước 2: Trộn hai huyền phù với nhau và đem siêu âm trong 1 giờ để có sự
phân tán đồng nhất. Hỗn hợp được bịt kín và khuấy trong 24 giờ trước khi bay
hơi etanol và nước.
Bước 3: Sau khi làm bay hơi etanol và nước, thu được chất rắn, đem
sấy khô ở 60 oC trong 12 giờ, nghiền mịn thành bột bằng cối mã não và
đem nung ở các nhiệt độ 400, 500, 600 và 700 oC trong 2 giờ, tốc độ gia
nhiệt 5 oC/phút, cuối cùng làm mát tự nhiên đến nhiệt độ phòng.
Mẫu thu được ký hiệu TB-2-T, với T là nhiệt độ nung mẫu (T: 400,
500, 600 và 700 oC).
- Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 đến hoạt tính
quang xúc tác của vật liệu Ta3N5/BiVO4
Bước 1: Lấy một lượng Ta3N5 và BiVO4 cho vào hai cốc thủy tinh
theo tỷ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 lần lượt là 1, 2 và 3%, phân tán riêng
biệt bằng dung dịch etanol và nước, khuấy từ trong 30 phút.
Bước 2: Trộn hai huyền phù với nhau và đem siêu âm trong 1 giờ để có
sự phân tán đồng nhất. Hỗn hợp được bịt kín và khuấy trong 24 giờ trước khi bay
hơi etanol và nước.
Bước 3: Sau khi bay hơi etanol và nước, thu được chất rắn, đem sấy
khô ở 60 oC trong 12 giờ, nghiền mịn thành bột bằng cối mã não và đem

nung ở nhiệt độ T (với T là nhiệt độ tối ưu đã khảo sát), giữ nhiệt độ này
trong 2 giờ và làm mát tự nhiên đến nhiệt độ phòng.
Mẫu thu được ký hiệu TB-x-T với x là tỷ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4
(x = 1, 2 và 3%).
e) Tổng hợp vật liệu Ta3N5/g-C3N4
Cách tiến hành thực nghiệm tương tự như tổng hợp vật liệu
Ta3N5/BiVO4.
Vật liệu Ta3N5/g-C3N4 thu được khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ được
ký hiệu TCN-2-T, với T là nhiệt độ nung (T = 500, 550 và 600 oC).
Vật liệu Ta3N5/g-C3N4 thu được khi khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối
lượng Ta3N5/g-C3N4 được ký hiệu TCN-x-T với x là tỉ lệ khối lượng
Ta3N5/g-C3N4 (x = 1, 2, 3 và 4%).
2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổng hợp
Lấy 0,1 gam xúc tác cho vào cốc 250 mL sau đó cho tiếp vào 200 mL
dung dịch RhB 10 mg/L, đặt cốc trong hộp gỗ, sau đó khuấy đều cốc trên
máy khuấy từ trong t giờ (trong bóng tối) (t là thời gian đạt cân bằng hấp
phụ) để cho quá trình hấp phụ - giải hấp phụ cân bằng. Sau t giờ hấp phụ,
lấy 8 mL dung dịch đem ly tâm và xác định hàm lượng RhB. Nồng độ dung
dịch RhB sau thời gian hấp phụ t giờ là nồng độ thực tế của RhB đầu vào
3


khi thực hiện quá trình quang xúc tác. Tiếp tục khuấy đều (600 vòng/phút)
cốc hở dưới điều kiện ánh sáng đèn sợi tóc (220V - 60W), nhiệt độ được
duy trì ở 30oC. Sau các khoảng thời gian xác định, lấy khoảng 8 mL mẫu
đem ly tâm lấy phần dung dịch trong. Nồng độ RhB được xác định bằng
phương pháp trắc quang tại bước sóng 553 nm.
3. Khảo sát cơ chế quang phân hủy các chất hữu cơ trên vật liệu
composit TB-2-600 và TCN-2-550
Quá trình khảo sát cơ chế quang phân hủy RhB trên các vật liệu

tổng hợp được tiến hành ở điều kiện giống nhau về lượng chất xúc tác,
nồng độ RhB, cường độ chiếu sáng, thời gian chiếu sáng nhưng so sánh với
ba loại chất dập tắt khác nhau. Các chất được chọn gồm: 1,4-Benzoquinone
(BQ) được sử dụng để bẫy gốc anion O
, tert-butyl ancohol (TBA) để bẫy
2
gốc OH và amonium oxalat (AO) để bẫy h+. Các chất dập tắt này được cho
cùng với 0,1 g mẫu các vật liệu composit tổng hợp tương ứng, 200 mL RhB
10 mg/L. Các bước tiếp theo tiến hành tương tự như quá trình khảo sát hoạt
tính quang xúc tác.
4. Thí nghiệm khử CO2 thành nhiên liệu tái sinh
Thí nghiệm khử CO2 trong môi trường hơi nước được thực hiện trên hệ
phản ứng nối tiếp được trình bày ở Hình 2.7.

Hình 0.1. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổng hợp
thông qua phản ứng chuyển CO2 thành nhiên liệu

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Vật liệu xúc tác quang thế hệ mới Ta3N5/BiVO4
3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 đến đặc trưng và
hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Ta3N5/BiVO4
3.1.1.1. Đặc trưng vật liệu tổng hợp ở các tỉ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4
khác nhau
Các đặc trưng về thành phần, cấu trúc và khả năng hấp thụ quang của
các vật liệu tổng hợp Ta3N5, BiVO4 và các composit TB-1-600, TB-2-600
và TB-3-600 lần lượt được khảo sát bằng phương pháp XRD và UV-Vis4


DRS được trình bày ở Hình 3.2 và 3.3. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ở Hình
3.2 của vật liệu Ta3N5, BiVO4 và composit TB-2-600 cho thấy, trên giản đồ

nhiễu xạ tia X đặc trưng của vật liệu BiVO4 có ba đỉnh rõ nét, đỉnh có
cường độ mạnh nhất ở vị trí 28,82o tương ứng với mặt tinh thể (112), đỉnh
có cường độ thấp hơn ở vị trí 18,81o và 30,60o tương ứng với mặt phẳng
(011) và (004), bên cạnh đó cịn có sự xuất hiện của các đỉnh có cường độ
thấp, điều này chứng tỏ pha tinh thể của BiVO4 điều chế là monoclinicscheelite. Trên giản đồ XRD của vật liệu Ta3N5 xuất hiện các đỉnh có cường
độ mạnh tại vị trí 2 bằng 18,12o tương ứng với mặt tinh thể (200) đặc trưng
cho sự tồn tại của Ta3N5 tinh khiết. Tuy nhiên, trên giản đồ XRD của vật
liệu composit TB-2-600 chỉ xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho hợp
phần BiVO4 mà không xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho hợp phần
Ta3N5, có thể do hàm lượng Ta3N5 quá bé và phân tán tốt trong vật liệu
composit.

Kết quả từ phổ hấp thụ UV-Vis-DRS ở Hình 3.3 cho thấy, đỉnh hấp
thụ ánh sáng của các vật liệu Ta3N5, BiVO4 và các composit TB-x-600 đều
nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy và có bờ hấp thụ trải dài đến khoảng
bước sóng khoảng 600 nm. Đồng thời, bờ hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của
các composit TB-x-600 mạnh hơn so với các hợp phần Ta3N5 và BiVO4
riêng lẻ. Giá trị năng lượng vùng cấm của các vật liệu composit TB-x-600
tổng hợp giảm so với vật liệu BiVO4 và Ta3N5. Việc thay đổi giá trị năng
lượng vùng cấm, cho phép bước đầu dự đoán vật liệu composit tổng hợp
được có hoạt tính quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhờ sự
xúc tác hiệp trợ của cả hai hợp phần Ta3N5 và BiVO4.

Đặc tính tái tổ hợp của các cặp electron và lỗ trống quang sinh
trong các vật liệu composit được đặc trưng bằng phương pháp phổ
5


PL, kết quả được trình bày ở Hình 3.5. Từ kết quả phổ huỳnh quang ở
Hình 3.5 cho thấy, các vật liệu composit bị kích thích ở 300 nm, có cực

đại phát xạ mạnh ở khoảng 503 nm, trong đó mẫu composit TB-2-600 có
cường độ phát xạ thấp hơn nhiều so với vật liệu TB-1-600 và TB-3-600.
Kết quả PL đã chứng minh sự tái tổ hợp cặp electron và lỗ trống của TB2-600 là nhỏ nhất, cụ thể: TB-1-600 > TB-3-600 > TB-2-600. Điều này
chứng tỏ sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống trong vật liệu TB-2600 được hạn chế hiệu quả hơn so với các composit còn lại trong vùng
khảo sát, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình phân hủy các chất hữu cơ ơ
nhiễm hoặc chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu. Do đó, vật liệu TB-2-600
được chọn để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.

Hình 3.5. Phổ huỳnh quang các mẫu vật liệu composite TB-x-600

3.1.1.2. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổng hợp ở các tỉ lệ khối lượng
Ta3N5/BiVO4 khác nhau
Kết quả phân hủy RhB trên các vật liệu tổng hợp được trình bày ở Hình
3.6.

6


Hình 3.6. Đồ thị sự phụ thuộc C/Co của dung dịch RhB theo thời gian trên vật
liệu BiVO4, Ta3N5 và TB-x-600

Kết quả ở Hình 3.6 cho thấy, cả ba vật liệu TB-x-600 đều cho kết quả
phân hủy RhB trong vùng ánh sáng nhìn thấy khá cao, trong đó vật liệu
composit TB-2-600 có tỷ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 là 2% cho hiệu quả
xúc tác phân hủy RhB trong vùng khảo sát cao nhất với độ chuyển hóa đạt
92,75% sau 6 giờ xử lý. Còn đối với các vật liệu TB-1-600 và TB-3-600 độ
chuyển hóa RhB lần lượt đạt 77,38% và 80,18%. Kết quả thu được chỉ ra
rằng, tất cả các composit đều có hoạt tính quang xúc tác cao hơn so với vật
liệu BiVO4 (72,70%) và Ta3N5 (22,65%) riêng lẻ. Điều này được giải thích
là do tốc độ tái tổ hợp cặp electron- lỗ trống quang sinh của vật liệu

composit đã giảm đáng kể và sự có mặt của cả hai hợp phần Ta3N5 và
BiVO4 làm xảy ra quá trình oxi hóa – khử ở cả vùng hóa trị của BiVO4 và
vùng dẫn của Ta3N5. Chính đặc điểm này làm gia tăng hoạt tính quang xúc
tác phân hủy RhB cũng như duy trì hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu
composit theo thời gian, nhất là vật liệu composit TB-2-600.
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu đến đặc trưng và hoạt tính
quang xúc tác của vật liệu Ta3N5/BiVO4
3.1.2.1. Đặc trưng vật liệu composit Ta3N5/BiVO4 ở các nhiệt độ nung khác
nhau
Vật liệu BiVO4, Ta3N5 và TB-2-T được khảo sát khả năng hấp thụ
quang bằng phương pháp UV-Vis-DRS, kết quả được trình bày ở Hình 3.8.

Hình 3.8. Phổ UV-Vis-DRS của vật liệu Ta3N5, BiVO4 và các vật liệu
composit TB-2-T

Kết quả từ phổ UV-Vis-DRS ở Hình 3.8 chỉ ra rằng, cả bốn vật liệu
composit Ta3N5/BiVO4 được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau đều có
đỉnh và bờ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng khả kiến và đều hấp thụ ánh
sáng vùng khả kiến mạnh hơn so với Ta3N5 và BiVO4 riêng lẻ. Giá trị năng
7


lượng vùng cấm của vật liệu composit tổng hợp nung ở 400, 500, 600 và
700 oC đều thấp hơn so với hai mẫu vật liệu Ta3N5 và BiVO4. Với năng
lượng vùng cấm nhỏ vật liệu có thể đóng vai trị là chất xúc tác quang tốt
trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
3.1.2.2. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit Ta3N5/BiVO4 ở các
nhiệt độ nung khác nhau
Kết quả phân hủy RhB trên các vật liệu tổng hợp được trình bày ở Hình
3.10.

Hình 3.10. Sự phụ thuộc C/Co của dung dịch RhB theo thời gian phản ứng của
BiVO4, Ta3N5 và các composit TB-2-T

Kết quả ở Hình 3.10 cho thấy, sự kết hợp đồng thời hai hợp phần
Ta3N5 và BiVO4 trong composit Ta3N5/BiVO4 đã làm tăng hiệu quả xúc tác
phân hủy RhB trong vùng khảo sát so với các hợp phần riêng lẻ. Trong đó,
vật liệu TB-2-600 với tỉ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 là 2% và được nung ở
nhiệt độ 600oC cho hiệu quả xúc tác phân hủy RhB cao nhất với độ chuyển
hóa đạt 92,75% sau 6 giờ xử lý. Cịn đối với các mẫu vật liệu composit TB2-400, TB-2-500 và TB-2-700 có độ chuyển hóa RhB lần lượt đạt 79,40%,
87,62% và 76,47% ở cùng thời gian khảo sát. Từ các kết quả cho thấy, vật
liệu TB-2-600 có hiệu quả xúc tác phân hủy RhB tốt nhất trong vùng khảo sát.
3.1.3. Đặc trưng vật liệu composit TB-2-600
Kết quả về hình thái của vật liệu Ta3 N5 , BiVO 4 và vật liệu TB-2600 được trình bày ở Hình 3.11. Từ ảnh SEM của vật liệu Ta3N5, BiVO4
và TB-2-600 cho thấy, các hạt Ta3N5 có dạng hình cầu, BiVO4 có dạng hình
bầu dục và composit TB-2-600 gồm các hạt vừa có dạng hình cầu vừa có
dạng hình bầu dục. Sự xắp xếp các hạt trong vật liệu composit TB-2-600
kém đặt khít hơn so với vật liệu Ta3N5 và BiVO4.
8


Hình 3.11. Ảnh SEM của Ta3N5 (a), BiVO4 (b) và TB-2-600 (c)

Tính chất xốp và cấu trúc mao quản của vật liệu BiVO4, Ta3N5 và
composit TB-2-600 tổng hợp còn được nghiên cứu bằng phép đo đẳng
nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ nitơ ở 77 K. Kết quả được trình bày ở Hình
3.12.

Hình 3.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 và đường cong phân
bố kích thước mao quản của (a) Ta3N5; (b) BiVO4 và (c) TB-2-600

Hình dạng của các đường cong hấp phụ - giải hấp phụ của các vật liệu
BiVO4, Ta3N5 và TB-2-600 đều thuộc dạng loại IV theo phân loại của
IUPAC. Các đồ thị đều có vịng trễ đặc trưng cho hiện tượng ngưng tụ mao
quản của vật liệu mao quản trung bình (đối với vật liệu Ta3N5 ở vùng áp
9


suất tương đối 0,4

0,7

0,35

được đều là các vật liệu mao quản trung bình.
Vật liệu TB-2-600 có diện tích bề mặt riêng lớn hơn vật liệu BiVO4
thuần nhờ sự có mặt của hợp phần Ta3N5 trong vật liệu tổng hợp. Đường cong
phân bố kích thước mao quản của các vật liệu BiVO4, Ta3N5 và TB-2-600
chủ yếu chứa các mao quản trung bình với đường kính khoảng 4-14 nm đặc
trưng cho vật liệu mao quản trung bình, điều này phù hợp với kết quả về đường
cong phân bố kích thước mao quản. Bên cạnh đó, tuy diện tích bề mặt riêng
của vật liệu composit TB-2-600 nhỏ hơn vật liệu Ta3N5 nhưng lại có hoạt
tính quang xúc tác cao hơn Ta3N5. Điều này có thể giải thích, do diện tích
bề mặt riêng của vật liệu xúc tác quang chỉ làm một trong những yếu tố ảnh
hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu như tốc độ tái tổ hợp của các
cặp điện tử và lỗng trống, thế oxi khử ở vùng dẫn, thế oxi hóa ở vùng hóa
trị,... Do vậy, để làm rõ nhận định này, các vật liệu tiếp tục được đặc trưng
bằng phương pháp phổ huỳnh quang (Hình 3.16).
Đặc điểm liên kết trong mẫu vật liệu TB-2-600 được đặc trưng bởi
phổ hồng ngoại, kết quả đo phổ IR được trình bày ở Hình 3.13.

Hình 3.13. Phổ hồng ngoại IR của các vật liệu BiVO4, Ta3N5 và TB-2-600

Từ kết quả phổ hồng ngoại của vật liệu composit TB-2-600 cho thấy,
xuất hiện các đỉnh phổ ứng với số sóng 1088 cm-1 và 792,8 cm-1 đặc trưng
cho dao động của liên kết Ta-N trong Ta3N5. Bên cạnh đó, sự xuất hiện của
đỉnh phổ tại số sóng 748,7 cm-1 tương ứng với liên kết đối xứng V-O trong
cấu trúc đơn tinh thể của vật liệu BiVO4. Bằng chứng này khẳng định vật liệu
Ta3N5/BiVO4 đã được tổng hợp thành công.
10


Trạng thái hóa học bề mặt của vật liệu BT-2-600 cịn được xác định
bằng phổ XPS. Kết quả được trình bày ở Hình 3.14.

Hình 3.14. Phổ XPS Ta 4f (a), N1s (b), Bi 4f (c), V 2p (d) và O 1s của vật liệu
TB-2-600

TB-2-600 Kết quả XPS ở Hình 14a chỉ ra rằng, đỉnh quang điện tử của
Ta 4f trong vật liệu composit BT-2-600 xuất hiện rõ ràng tại năng lượng
liên kết 25,2 và 27,18 eV. Các đỉnh này được cho là tương ứng với Ta5+ của
Ta3N5 trong composit BT-2-600. Tuy nhiên, các giá trị năng lượng liên kết
này khác với Ta 4f trong Ta3N5 nguyên chất, tương ứng bằng 26,01 eV và
530,38 eV. Điều này có thể do có sự tương tác của Ta3N5 và BiVO4 tồn tại
trên bề mặt tiếp xúc. Từ giản đồ XPS ở hình 3.14b, năng lượng liên kết ứng
11


với obitan N1s chỉ có một đỉnh mạnh, rất đặc trưng tại 399,80 eV được xác
định là của N3- trong Ta3N5. Đối với phổ XPS Bi 4f (Hình 3.14c), xuất hiện
hai đỉnh phổ tại giá trị năng lượng liên kết lần lượt là 158,85 và 164,08 eV
tương ứng với giá trị năng lượng liên kết của Bi 4f ở trạng thái Bi3+ của
BiVO4 trong composit BT-2-600. Trên phổ XPS của V 2p cũng xuất hiện

hai đỉnh phổ tại các mức năng lượng 516,49 và 523,89 eV (Hình 3.14d) lần
lượt ứng với V 2p3/2 và V 2p1/2 ở trạng thái V5+ của BiVO4 trong composit
BT-2-600 và các giá trị năng lượng liên kết này giảm khoảng 0,06 và 0,05
eV so với BiVO4 tinh khiết. Phổ XPS của O 1s (Hình 3.14e) chỉ ra trạng
thái nguyên tố O trong vật liệu composit BTC-4 là O2-. Như vậy, một lần
nữa phổ XPS khẳng định thêm rằng, đã có sự tương tác giữa hai hợp phần
Ta3N5 và BiVO4 có trong vật liệu composit.
Phổ huỳnh quang các vật liệu BiVO4, Ta3N5 và composit TB-2-600
được trình bày ở Hình 3.16.

Hình 3.16. Phổ huỳnh quang các vật liệu BiVO4, Ta3N5 và composit TB-2-600

Từ kết quả phổ huỳnh quang ở Hình 3.16 cho thấy, có sự giảm
đáng kể cường độ phát quang từ vật liệu Ta3N5, BiVO4 đến composit TB2-600. Các vật liệu được kích thích ở 300 nm, có cực đại phát xạ tại 503
nm, trong đó composit TB-2-600 có cường độ phát xạ thấp hơn nhiều so
với các vật liệu Ta3N5, BiVO4 riêng lẻ. Kết quả PL đã chứng minh sự tái
tổ hợp các cặp electron và lỗ trống của TB-2-600 là nhỏ hơn vật liệu Ta3N5
và BiVO4 tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán electron ra ngoài
bề mặt để tương tác với các chất hữu cơ được hấp phụ trên bề mặt để tăng
hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm so với các vật liệu đơn.
Như vậy có thể nói rằng, đã tổng hợp thành cơng vật liệu composit
Ta3N5/BiVO4 có hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy
nhờ làm giảm sự tái tổ hợp các cặp electron và lỗ trống trong vật liệu
composit TB-2-600 so với các hợp phần Ta3N5 và BiVO4 riêng lẻ.
12


3.1.4. Động học phản ứng phân hủy RhB trên vật liệu Ta3N5/BiVO4
Kết quả phân tích động học phân hủy RhB trên các vật liệu composit
TB-1-600, TB-1-600 và TB-1-600 được trình bày ở Hình 3.17 cho thấy,

hằng số tốc độ phản ứng phân hủy RhB của vật liệu composit TB-2-600 là
lớn nhất, gấp hơn 1,9 lần vật liệu TB-1-600 và gấp khoảng 1,7 lần vật liệu
TB-3-600. Kết quả này một lần nữa khẳng định composit TB-2-600 được
tổng hợp ở tỷ lệ Ta3N5/BiVO4 2% và ở nhiệt độ nung 600oC là điều kiện
thích hợp nhất trong vùng khảo sát để tăng cường hoạt tính xúc tác quang
của vật liệu composit.

Hình 0.17. Sự phụ thuộc của giá trị
ln(Co/C) vào thời gian của vật liệu
TB-x-600

Hình 3.17. Sự phụ thuộc của giá
trị ln(Co/C) vào thời gian của các
vật liệu Ta3N5, BiVO4, TB-2-T

Kết quả phân tích động học RhB trên các vật liệu Ta3N5, BiVO4 và các
vật liệu TB-2-400, TB-2-500, TB-2-600 và TB-2-700 (Hình 3.18) cho thấy,
vật liệu TB-2-600 có tốc độ phân hủy RhB nhanh nhất trong vùng khảo sát,
với hằng số tốc độ k = 0,42160 cao hơn khoảng từ 1,5- 2 lần so với các vật
liệu composit tổng hợp ở các nhiệt độ còn lại. Khi so sánh với hai mẫu vật
liệu đơn BiVO4 và Ta3N5, kết quả phân tích động học ở Hình 3.64 cũng cho
thấy hằng số tốc độ phân hủy RhB của TB-2-600 gấp 2 lần hằng số tốc độ
của BiVO4 và 12 lần hằng số tốc độ Ta3N5.
Từ các kết quả thực nghiệm cho thấy, vật liệu composit TB-2-600 với tỉ
lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 là 2%, nhiệt độ nung 600 oC có hiệu quả xúc tác
phân hủy RhB là tốt nhất trong vùng khảo sát.
3.2. Hệ vật liệu xúc tác quang thế hệ mới Ta3N5/g-C3N4
3.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng Ta3N5/g-C3N4 đến đặc trưng và
hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Ta3N5/g-C3N4
3.1.1.1. Đặc trưng vật liệu ở các tỉ lệ khối lượng Ta3N5/g-C3N4 khác nhau

13


Các đặc trưng về thành phần, cấu trúc và khả năng hấp thụ quang của
các vật liệu tổng hợp Ta3N5, BiVO4 và các composit TB-1-600, TB-2-600
và TB-3-600 lần lượt được khảo sát bằng phương pháp XRD và UV-VisDRS được trình bày ở Hình 3.20 và 3.21.

Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tia
X của g-C3N4, Ta3N5 và composit
TCN-x-550

Hình 0.1. Phổ UV-Vis-DRS của gC3N4, Ta3N5 và composit TCN-x550 (x=1, 2, 3 và 4%)

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ở Hình 3.20 của các vật liệu g-C3N4, Ta3N5
và các composit TCN-x-550 cho thấy, trên giản đồ nhiễu xạ tia X của vật
liệu g-C3N4 xuất hiện một đỉnh có cường độ mạnh ở vị trí 2θ bằng 27,40o là
do sự sắp xếp của các hệ thống liên hợp thơm, tương ứng với mặt tinh thể
(002), đỉnh có cường độ rất thấp vị trí 2θ bằng 13,01o là do sự sắp xếp tuần
hoàn các đơn vị tri-s-triazin đặt trong mặt phẳng tinh thể (001) (Theo
JCPDS: 87-1526). Đối với giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Ta3N5 xuất
hiện các đỉnh ở khoảng 2θ bằng 18,12o; 24,43o; 25,99o; 30,11o; 31,48o;
34,91o; 36,06o lần lượt ứng với các mặt (200), (110), (111), (112), (023),
(130), (113) đặc trưng cho sự tồn tại của Ta3N5 tinh khiết (Theo JCPDS:
019-1291). Trong khi đó, trên giản đồ XRD của các vật liệu composit
TCN-x-550 chủ yếu xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho hợp phần vật
liệu g-C3N4, các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho Ta3N5 chỉ xuất hiện ở giản đồ
XRD của vật liệu TCN-3-550 và TCN-4-550 nhưng có cường độ rất thấp,
điều này có thể do hàm lượng Ta3N5 trong vật liệu TCN-x-550 là khá nhỏ
(dưới 10%). Kết quả ở Hình 3.21 cho thấy, các vật liệu TCN-1-550, TCN2-550, TCN-3-550 và TCN-4-550 đều có sự dịch chuyển của đỉnh và bờ
hấp thụ về ánh sáng khả kiến so với Ta3N5 và g-C3N4. Điều này cho phép

dự đoán các vật liệu vật liệu composit Ta3N5/g-C3N4 sẽ có hiệu quả xúc tác
quang tốt trong vùng khảo sát. Kết quả sau khi phân tích hàm Kubelka –
Munk cho thấy, năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu composit đều bé
14


hơn g-C3N4 và Ta3N5. Điều này, một lần nữa khẳng định khả năng hoạt
động quang tốt của vật liệu composit trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Hình 3.22. Sự phụ thuộc hàm
Kubelka – Munk vào năng lượng
photon của vật liệu TCN-x-550

Hình 3.23. Phổ huỳnh quang các
mẫu vật liệu composite ANT-x-550

Từ kết quả phổ huỳnh quang ở Hình 3.23 cho thấy, các vật liệu
composit bị kích thích ở 300 nm, có cực đại phát xạ mạnh ở khoảng 503
nm, trong đó mẫu composit ANT-2-550 có cường độ phát xạ thấp hơn
nhiều so với các composit khác, điều này cho thấy sự tái tổ hợp của các
cặp electron và lỗ trống của vật liệu ANT-2-550 là nhỏ nhất so với các
composit khác trong vùng khảo sát, cụ thể thứ tự cường độ phát xạ:
ANT-1-350 > ANT-4-350 > ANT-3-350 > ANT-2-550. Điều này chứng
tỏ mẫu vật liệu ANT-2-550 có sự tái tổ hợp của các electron và lỗ trống
được hạn chế hiệu quả hơn so với các composit còn lại trong vùng khảo
sát, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán electron ra ngoài bề
mặt để tương tác với các chất được hấp phụ trên bề mặt để tăng hiệu quả
xử lý các chất ơ nhiễm. Do đó mẫu vật liệu ANT-2-550 được dự đốn có
khả năng hoạt động quang xúc tác cao hơn các composit khác.
3.1.2.2. Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu composit TCN-x-550

Kết quả độ chuyển RhB trên các vật liệu composit TCN-x-550 được
trình bày ở Hình 3.24.

15


Hình 0.2. Đồ thị sự phụ thuộc giá trị C/Co của RhB theo thời gian của TCN-x-550

Sau 180 phút chiếu sáng, vật liệu TCN-2-550 cho hiệu quả xúc tác phân
hủy RhB cao nhất với độ chuyển hóa RhB đạt 90,26%. Còn đối với các vật
liệu TCN-4-550, TCN-3-550 và TCN-1-550, độ chuyển hóa RhB lần lượt
đạt 65,93%, 79,71% và 83,60%. Như vậy, vật liệu composit tổng hợp có
hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến đặc trưng và hoạt tính quang
xúc tác của vật liệu Ta3N5/g-C3N4
3.2.2.1. Đặc trưng vật liệu composit TCN-2-T
Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis-DRS ở Hình 3.26 cho thấy, cực đại và bờ
hấp thụ của các mẫu vật liệu composit TCN-2-T đều có sự dịch chuyển về
vùng ánh sáng khả kiến mạnh hơn so với vật liệu Ta3N5và g-C3N4 riêng lẻ.
Như vậy, các mẫu vật liệu composit được tổng hợp ở các nhiệt độ đều có
đỉnh và bờ hấp thụ nằm trong vùng ánh sáng khả kiến. Điều này, chứng tỏ
vật liệu thu được có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến.
Trong đó vật liệu g-C3N4 có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh nhất
trong vùng khảo sát.

Hình 3.26. Phổ UV – Vis trạng thái
rắn của g-C3N4, Ta3N5 và composit
TCN-2-T

Hình 0.3. Sự phụ thuộc hàm

16Kubelka-Munk theo năng lượng ánh
sáng bị hấp thụ của g-C3N4, Ta3N5
và composit TCN-2-T


Kết quả ở hình 3.27 cho thấy, vật liệu composit TCN-2-550 có năng
lượng vùng cấm nhỏ nhất trong số các composit tổng hợp, điều này cho
phép dự đoán sự gia tăng hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu composit
TCN-2-550 cao nhất trong vùng ánh sáng khả kiến so với vật liệu TCN-2500 và TCN-2-600.
3.2.2.2. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composit Ta3N5/g-C3N4 ở các
nhiệt độ nung khác nhau
Kết quả phân hủy RhB của các vật liệu g-C3N4, Ta3N5 và các composit
TCN-2-T ở Hình 3.28 cho thấy, khi so sánh ba vật liệu composit tổng hợp
được ở các nhiệt độ khác nhau, vật liệu composit TCN-2-550 có hoạt tính
cao nhất. Cụ thể, sau 180 phút chiếu sáng vật liệu g-C3N4 và Ta3N5 chỉ đạt
hiệu quả phân hủy RhB lần lượt là 60,67% và 13,89%. Trong khi đó vật
liệu TCN-2-550 đạt hiệu suất 90,26%, còn đối với các vật liệu TCN-2-500
và TCN-2-600 lần lượt đạt 46,25% và 73,53%. Điều này cho thấy, các vật
liệu biến tính đều thể hoạt tính xúc tác cao hơn so với vật liệu Ta 3N5 và gC3N4 (trừ vật liệu composit TCN-2-500) riêng lẻ. Điều này được giải thích
là do khi nung mẫu ở 500 oC thì sự hình thành g-C3N4 trên Ta3N5 ở vật liệu
composit là chưa triệt để, ở 600 oC thì một phần g-C3N4 đã bị phân hủy nên
chưa hạn chế tốt sự tái tổ hợp của các cặp electron và lỗ trống quang sinh.

Hình 3.28. Sự phụ thuộc C/Co của RhB theo thời gian chiếu sáng của các vật
liệu g-C3N4, Ta3N5 và các composit TCN-2-T

3.2.3. Đặc trưng của vật liệu composit TCN-2-550
Ảnh vi cấu trúc của vật liệu Ta3N5, g-C3N4 và composit TCN-2-550
điều chế, được đặc trưng bằng phương pháp hiển vi điện tử quét.

17


Hình 3.29. Ảnh SEM của vật liệu Ta3N5, g-C3N4 và TCN-2-550

Ảnh SEM ở Hình 3.29 cho thấy, các hạt Ta3N5 có dạng hình cầu, gC3N4 cũng có dạng hình cầu nhưng kết lại với nhau thành từng lớp và
composit TCN-2-550 gồm các hạt vừa có dạng hình cầu. Sự xắp xếp các hạt
trong vật liệu composit TCN-2-550 rời rạc hơn so với vật liệu Ta3N5 và
BiVO4.
Tính chất xốp và cấu trúc mao quản của vật liệu Ta3N5, g-C3N4 và
TCN-2-550 tổng hợp được nghiên cứu bằng phép đo đẳng nhiệt hấp phụ và
giải hấp phụ nitơ ở 77 K. Kết quả được trình bày ở Hình 3.30.

Hình 3.30. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 và sự phân bố đường kính
mao quản của các vật liệu: (a) Ta3N5; (b) g-C3N4 và (c) TCN -2-550

18


Hình dạng của các đường cong hấp phụ - giải hấp phụ của các vật liệu
Ta3N5, g-C3N4 và TCN-2-550 đều thuộc dạng loại IV theo phân loại của
IUPAC. Các đồ thị của các vật liệu Ta3N5, g-C3N4 và TCN-2-550 đều có
vịng trễ đặc trưng cho hiện tượng ngưng tụ mao quản của vật liệu mao
quản trung bình. Đường cong phân bố kích thước mao quản của các vật liệu
cho thấy, đường kính mao quản của Ta3N5, g-C3N4 và TCN-2-550 lần lượt là
12,23; 24,45 và 15,62 nm đặc trưng cho vật liệu mao quản trung bình. Diện
tích bề mặt riêng của vật liệu g-C3N5 và TCN-2-550 là lớn hơn so với
nghiên cứu của Yinhua Jiang và cộng sự.
Đối với phổ hồng ngoại của g-C3N4 ở Hình 3.31 cho thấy, một số đỉnh
mạnh có cường độ ở tần số đặc trưng của dao động liên quan đến các liên

kết hóa học giữa cacbon và nitơ. Đỉnh hấp thụ ở 810,1 cm-1 tương ứng với
dao động đặc trưng của liên kết C–N vòng thơm của đơn vị triazin. Một số
đỉnh có cường độ mạnh trong khoảng 1458 – 1246 cm-1 cũng được cho là
các dao động hóa trị của liên kết C–N ngồi vòng thơm. Đỉnh ở 1636 và
1570 cm-1 là dao động hóa trị của lên kết C=N. Các dải hấp thụ có đỉnh ở
3177 cm-1 là dao động của các amin thứ cấp (melem) và sơ cấp
(melamin)do sự hình thành liên kết hidro giữa các phân tử của chúng. Phổ
IR đã chỉ ra sự có mặt đầy đủ của các liên kết trong g-C3N4. Đối với phổ
hồng ngoại của Ta3N5, cho thấy đỉnh hấp thụ tại 1090 cm-1và tại 798,6 cm-1
tương ứng với dao động đặc trưng của liên kết Ta-N. Đối với phổ hồng
ngoại của vật liệu composit TCN-2-550, các đỉnh đặc trưng của g-C3N4 và
Ta3N5 vẫn còn thể hiện trên phổ, chứng tỏ sự tồn tại của g-C3N4 là Ta3N5
trong vật liệu. Ngồi ra có một sự chuyển dịch trong các đỉnh đặc trưng của
liên kết Ta-N trong vật liệu composit TCN-2-550 so với hai tiền chất,
chứng tỏ có tương tác cộng hóa trị mạnh giữa g-C3N4 và Ta3N5.

Hình 3.31. Phổ hồng ngoại của Ta3N5, g-C3N4 và composit TCN-2-550

19


Phổ XPS của Ta4f trong vật liệu composit TCN-2-550 ở Hình 3.32a
cho thấy, xuất hiện hai đỉnh phổ tại năng lượng liên kết 26,01 và 24,12 eV,
tương ứng với Ta 4f5/2 và Ta 4f7/2 của Ta5+ trong composit TCN-2-550. Phổ
XPS của N1s ở Hình 3.32c có hai đỉnh phổ, một đỉnh phổ tại mức năng
lượng 395,71 eV được xác định là của Nsp2 (liên kết với hai nguyên tử C
lân cận) và Nsp3 (liên kết với ba nguyên tử C lân cận) ứng với cấu tạo của
g-C3N4; đỉnh phổ tại mức năng lượng 395,79 eV đặc trưng cho N3- trong
Ta3N5. Từ giản đồ XPS của C 1s có hai đỉnh phổ lần lượt ứng với giá trị
năng lượng liên kết là 284,44 và 288,32 eV (Hình 3.32b). Đỉnh thứ nhất có

giá trị 284,44 eV được xác định là cacbon đối chứng của phép đo và của Csp2
(ứng với liên kết C=N), đỉnh thứ hai có giá trị 288,32 eV là của tổ hợp liên
kết C–N–C trong g-C3N4. Kết quả thu được cũng cho thấy, các giá trị năng
lượng liên kết trên khác với giá trị năng lượng liên kết C1s và N1s trong gC3N4 nguyên chất, tương ứng bằng 284,7 và 287,5 eV (đối với C1s); 398,8
eV (đối với N1s). Sự khác nhau này là do sự tương tác giữa C1s và N1s với
Ta 4f trong composit. Như vậy, một lần nữa phổ XPS khẳng định thêm
rằng, có sự tương tác giữa các hợp phần có trong vật liệu composit.

Hình 3.32. Phổ XPS Ta4f (a), N1s (b) và C 1s (c) của vật liệu TCN-2-550

Từ kết quả phổ huỳnh quang ở Hình 3.33 cho thấy, có sự giảm đáng kể
cường độ phát quang từ vật liệu Ta3N5 và g-C3N4 đến composit TCN-2550. Các vật liệu được kích thích ở 300 nm, có cực đại phát xạ tại 502 nm,
trong đó composit TCN-2-550 có cường độ phát xạ thấp hơn nhiều so với
các vật liệu Ta3N5 và g-C3N4 riêng lẻ. Kết quả PL đã chứng minh sự tái tổ
hợp các cặp electron và lỗ trống của TCN-2-550 là nhỏ hơn các vật liệu
Ta3N5, g-C3N4, do vậy, làm tăng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
composit so với các vật liệu Ta3N5, g-C3N4 riêng lẻ.

20


Hình 3.33. Phổ huỳnh quang các vật liệu g-C3N4, Ta3N5 và composit TCN-2-550

3.2.4. Động học phản ứng quang xúc tác phân hủy RhB trên vật liệu
composit Ta3N5/g-C3N4
Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy RhB của các vật liệu tổng hợp theo
mơ hình Langmuir – Hinshelwood được tổng hợp trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11. Hằng số tốc độ phân hủy RhB của các vật liệu tổng hợp theo mơ
hình Langmuir – Hinshelwood

Mẫu vật liệu

Hằng số tốc độ k (phút)

Hệ số tƣơng quan R2

g-C3N4
Ta3N5
TCN-2-500

0,36810
0,02912
0,19091

0,992344
0,99182
0,96521

TCN-2-550

0,74572

0,98625

TCN-2-600

0,58021

0,98238

TCN-1-550

0,00823

0,95209

TCN-3-550

0,45260

0,96512

TCN-4-550
0,27562
0,97205
Kết quả ở Bảng 3.11 cho thấy, hằng số tốc độ phản ứng có sự khác
biệt nhau giữa các vật liệu và mang tính đặc trưng. Hằng số tốc độ của vật
liệu TCN-2-550 là lớn nhất. Kết quả này chỉ ra rằng, việc kết hợp Ta3N5 với
g-C3N4 đã tạo nên vật liệu cải thiện hoạt tính xúc tác quang của Ta3N5.
3.2.5. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trên vật liệu composit TB-2600, TCN-2-550
Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trên vật liệu composit TB-2-600
Khi sử dụng chất dập tắt TBA hiệu suất phân hủy RhB giảm rõ rệt còn
32,21%, còn khi sử dụng AO và BQ hiệu suất lần lượt giảm còn 63,03% và
54,34%. Như vậy, HO là tác nhân chính quyết định đến hiệu suất quá trình
21


quang xúc tác phân hủy RhB của vật liệu (Hình 3.36). Kết quả này phù hợp
với nhiều cơng trình về cơ chế của Ta3N5 và BiVO4 đã cơng bố.

Hình 3.37. Cơ chế xúc tác quang
phân hủy RhB của TB-2-600

Hình 3.36. Hiệu suất phân hủy RhB của
TB-2-600 khi có mặt các chất dập tắt

Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trên vật liệu composit TCN-2-550
Kết quả ở Hình 3.38 cho thấy, khi có mặt các chất dập tắt BQ thì hiệu
suất phân hủy RhB trên vật liệu composit TCN-2-550 chỉ đạt 24,34%, cịn
khi sử dụng AO thì hiệu suất đạt 64,12%. Trong khi đó, các chất dập tắt
TBA hầu như ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất phân hủy RhB của
vật liệu composit TCN-2-550 (hiệu suất là 89,21%). Điều này chứng tỏ
anion O2 và lỗ trống quang sinh đóng một vai trị quan trọng trong q
trình xúc tác quang của vật liệu, trong đó, anion O2 là tác nhân chính quyết
định đến hiệu suất q trình xúc tác quang của vật liệu TCN-2-550.

Hình 3.38. Hiệu suất phân hủy RhB của
TCN-2-550 khi có mặt các chất dập tắt

KẾT LUẬN
22

Hình 3.39. Cơ chế xúc tác quang
phân hủy RhB của TCN-2-550


Quá trình thực hiện các nội dung nghiên cứu của luận án đã thu
được những kết quả sau:
1. Đã tổng hợp thành công vật liệu Ta3N5 (Ebg = 2,1 eV), BiVO4
(Ebg = 2,19 eV) và g-C3N4 (Ebg = 2,52 eV) bằng phương pháp thủy

nhiệt/nhiệt pha rắn.
2. Đã tổng hợp 7 mẫu vật liệu composit Ta3N5/BiVO4 ở các điều
kiện khác nhau. Kết quả thu được cho thấy, điều kiện thích hợp để tổng
hợp vật liệu composit Ta3N5/BiVO4 gồm: nhiệt độ nung 600oC, tỷ lệ khối
lượng Ta3N5/BiVO4 là 2% (TB-2-600), có Ebg = 1,82 eV, hiệu suất phân
hủy RhB đạt 92,75% sau 6 giờ chiếu sáng (sau 3 giờ chiếu sáng là
72,23%).
3. Đã tổng hợp 8 mẫu vật liệu composit Ta3N5/g-C3N4 ở các điều
kiện khác nhau. Kết quả thu được cho thấy, điều kiện thích hợp để tổng
hợp vật liệu composit Ta3N5/g-C3N4 gồm: nhiệt độ nung 550oC, tỷ lệ khối
lượng Ta3N5/g-C3N4 là 2% (TCN-2-550), có Ebg = 1,91 eV, hiệu suất phân
hủy RhB đạt 90,26% sau 3 giờ chiếu sáng.
4. Động học quá trình quang phân hủy RhB cho thấy, sự phân hủy
RhB trên các xúc tác composit Ta3N5/BiVO4 và Ta3N5/g-C3N4 tuân theo
phương trình động học bậc nhất Langmuir-Hinshelwood. Giá trị kRhB của
TB-2-600 và TCN-2-550 lần lượt là 0,42160 h-1 (sau 3 giờ phân hủy) và
0,74572 h-1 (sau 3 giờ phân hủy).
5. Đã đề xuất cơ chế quang xúc tác phân hủy các chất hữu cơ trên
2 hệ vật liệu lai ghép thế hệ mới Ta3N5/BiVO4 (gốc HO• quyết định chính)
và Ta3N5/g-C3N4 (gốc O2•- quyết định chính), góp phần làm cơ sở định
hướng cho các nghiên cứu về việc lai ghép các vật liệu bán dẫn ứng dụng
trong lĩnh vực xử lý mơi trường.
6. Đã đánh giá khả năng chuyển hóa CO2 thành CH4 trên vật liệu
composit Ta3N5/BiVO4, kết quả thu dược cho thấy tiềm năng ứng dụng của
các vật liệu này trong phản ứng chuyển hóa CO2 hướng đến giải quyết hai
vấn đề nóng hiện nay là sự nóng lên tồn cầu và khan hiếm nhiên liệu.

23