Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng xúc tác quang hóa BiVO4 trong phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại sử dụng ánh sáng nhìn thấy

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nước gây ra bởi các chất thải màu hữu cơ độc hại trong các nghành công nghiệp sơn và dệt nhuộm rất lớn. Để hạn chế phát thải chất màu hữu cơ độc hại gây ô nhiễm môi trường trong các nghành công nghiệp này, đã có nhiều biện pháp xử lý nước thải màu được đưa ra như phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học và phương pháp hóa học. Trong đó phương pháp hóa học theo hướng oxy hóa hóa học sử dụng các chất bán dẫn có hoạt tính xúc tác quang để phân hủy chất màu hữu cơ mang lại hiệu quả cao, do phương pháp này phân hủy chất màu hữu cơ độc hại thành sản phẩm cuối cùng là CO₂ và nước. Nhiều chất bán dẫn có hoạt tính xúc tác quang đã được nghiên cứu và ứng dụng vào quá trình này, trong đó TiO₂ được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, yếu điểm của loại vật liệu này là sử dụng tia UV trong quá trình phản ứng. Tia UV nguy hiểm khi tiếp xúc trực tiếp với con người và chỉ chiếm 5% trong ánh sáng mặt trời.

Gần đây, một loại xúc tác mới đang dành nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu đó là BiVO₄, vật liệu này có thể sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong quá trình quang xúc tác, có độ bền hóa học và hoạt tính quang hóa tương đối cao. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một phương pháp tổng hợp mới trên cơ sở phương pháp dung nhiệt cho việc kiểm soát quá trình tổng hợp BiVO₄. Các dung môi như EG và glycerol (GL) có nhiệt độ sôi, độ nhớt, độ phân cực và áp suất hơi bão hòa khác nhau được lựa chọn để tổng hợp BiVO₄ với mục đích điều khiển cấu trúc và kích thước tinh thể BiVO₄ từ đó nâng cao hoạt tính quang hóa của BiVO₄.

Kết quả đã tổng hợp thành công BiVO4 bằng phương pháp dung nhiệt sử dụng EG làm dung môi và phương pháp thủy nhiệt. Cấu trúc vật liệu được đánh giá bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như XRD (nhiễu xạ tia X), IR (phổ hồng ngoại), SEM (kính hiển vi điện tử quét) và Raman. Theo đó, dung môi có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành pha và hình thái tinh thể BiVO₄. EG có khả năng tạo liên kết phối trí với nguyên tử Bi³⁺, do đó, EG sẽ bao quanh nguyên tử Bi³⁺ với lực kìm tương đối lớn ngăn các phân tử nước tiếp xúc với nguyên tử Bi³⁺ ngay cả trong điều kiện dụng nhiệt dẫn đến đơn pha tinh thể monoclinic được hình thành.

Khả năng hấp thụ ánh sáng ở vùng bước sóng ngắn (UV) và vùng bước sóng dài (vùng ánh sáng khả kiến) của BiVO₄ được nghiên cứu thông qua phương pháp UV-Vis (tử ngoại – khả kiến) pha rắn. Tất cả các mẫu BiVO₄ cho dãy hấp thu mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến do đó tính chất quang xúc tác của vật liệu sẽ được tăng cường trong vùng ánh sáng khả kiến.

Nhóm nghiên cứu đánh giá khả năng xúc tác quang hóa của các mẫu vật liệu BiVO₄ phản ứng phân hủy RhB (Rhodamine B) sử dụng nguồn đèn ánh sáng nhìn thấy. Kết quả cho thấy mẫu BiVO4 tổng hợp bằng phương pháp dung môi cho hoạt tính cao hơn mẫu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Hằng số tốc độ quang phân hủy (k) RhB trên các mẫu xúc tác được xác định từ mô hình động học phản ứng giả bậc 1: ln(C_o/C) = kt. Giá trị k của mẫu BiVO4 được tổng hợp trong EG là 7,8x10^-3 phút^-1, cao hơn so với BiVO₄ được tổng hợp trong dung môi H₂O. Đồng thời, hoạt tính quang hóa có sự tương quang với sự hình thành các gốc tự do OH^*. Quá trình xúc tác quang hóa hình thành nhiều OH^* tức là có hoạt tính quang hóa càng cao. Mẫu BiVO₄ tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt có hoạt tính quang hóa cao hơn mẫu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt do có sự hình thành nhiều OH^*.

Đề tài cũng xác định được quy trình tổng hợp BiVO₄ bằng phương pháp dung nhiệt tạo thành vật liệu với đơn pha tinh thể monoclinic và hoạt tính quang xúc tác cao nhất và quy trình đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất màu hữu cơ độc hại. Kết quả này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi vật liệu BiVO₄, đặc biệt ứng dụng làm xúc tác xử lý môi trường.