Montmorillonite/TiO2 nanotubes could enhance the photocatalytic activity of rhodamine B degradation in the UVC region
- Faculty of Materials Science and Technology, University of Science, Ho Chi Minh city, Vietnam
- Vietnam National University, Ho Chi Minh City, Vietnam
Abstract
MMT/TiO2-NTs nanocomposite materials were prepared by a simple wet agitation method at room temperature from TiO2 nanotubes and montmorillonite (MMT). The synthesized MMT/TiO2-NTs samples were used as a catalyst for the photocatalytic degradation of rhodamine B (RhB) under a UVC light source (15 W, 254 nm). MMT was purified from bentonite clay (Lam Dong, Vietnam). MMT after purification possessed a characteristic lattice surface (001) at an angle of 2 = 6.1°. The adsorption capacity and the basal spacing of MMT were 70 mg/g and 14.48 Å, respectively. The TiO2 nanotubes (TiO2-NTs) were synthesized by the hydrothermal method. TiO2-NTs possessed a polycrystalline structure consisting of two phases, anatase and rutile. The average diameter and the length of the TiO2-NTs were 5 nm and 110 nm, respectively. The results on the composition, surface morphology, crystal structure, bonding vibration and photocatalytic efficiency characteristics showed that after modification into MMT, TiO2-NTs were immobilized and randomly distributed on the surface or incorporated in the clay sheets of MMT to form a pillared interlayer clay (PILC) structure. Because MMT possessed good adsorption properties, MMT would act as an adsorption center to capture RhB molecules in clay layers. MMT also prevented the recombination of TiO2 by trapping the photogenerated e into the vacant d orbitals of the metallic elements present in the MMT. Then, the •OH or •O2 radicals generated from the TiO2 photocatalytic reaction would easily react with the RhB molecules and decomposed them. The photocatalytic efficiency of 10 ppm RhB degradation of MMT/TiO2-NTs was 82% when excited by a UVC source for 210 min.
GIỚI THIỆU
Tài nguyên nước có vai trò rất quan trọng đối với sự sống và phát triển của con người và động thực vật trên trái đất. Vì vậy, bảo vệ nguồn nước là một trong những nhiệm vụ cấp bách mà mỗi chúng ta phải thực hiện. Theo World bank, 17‒20% chất thải công nghiệp này hiện nay là từ quá trình xử lý màu và dệt nhuộm, đóng góp 72% chất thải độc hại vào nguồn nước, trong đó 30% là chất thải vĩnh viễn (Báo cáo ngành dệt may, FPT,12/2017). Chính vì vậy, nguồn nước thải không được xử lý này đã trở thành một trong những nguyên nhân lớn gây ra sự ô nhiễm nguồn nước1. Hiện nay loại thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành dệt may là thuốc nhuộm hoạt tính, có chứa nhóm azo (-N=N-) và nhóm ulfonate (-SO-)2. Rhodamine (RhB) là một trong những thuốc nhuộm được sử dụng chủ yếu để nhuộm len, lụa và làm laser công suất màu. Ngoài ra, RhB còn được sử dụng để nhuộm tế bào trong công nghệ sinh học. Chất nhuộm này khá độc, tan nhiều trong nước và các dung môi khác như methanol, ethanol… Các thuốc nhuộm RhB có màu sắc tươi sáng, hấp dẫn nên còn được sử dụng để nhuộm màu thực phẩm, vải sợi…, điều này có thể gây nguy hiểm đối với sức khỏe của người tiêu dùng3.
Trong những năm gần đây, việc sử dụng vật liệu bán dẫn quang xúc tác để ứng dụng trong xử lý các hợp chất hữu cơ đã đạt được những thành tựu đáng kể và thu hút nhiều sự quan tâm từ lĩnh vực nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng do vật liệu này có khả năng tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh. Một số chất bán dẫn dạng nano đã được nghiên cứu sử dụng làm chất xúc tác quang như TiO, ZnO, CdS, FeO…4, 5. Trong đó, TiO được biết như là chất xúc tác quang tiềm năng trong lĩnh vực làm sạch môi trường vì tính trơ hóa học, tương thích sinh học, dễ sản xuất, không độc và giá thành tương đối rẻ6, 5. Với những tính chất đó, TiO gần như là chất xúc tác lý tưởng. So với cấu trúc hạt nano TiO, nano TiO cấu trúc ống (TiO nanotubes – TiO) có những tính chất ưu việt hơn trong lĩnh vực xúc tác quang như diện tích bề mặt (478 m/g) và thể tích mao quản lớn (1,25 cm/g), khả năng trao đổi ion, khả năng chuyển điện tử nhanh chóng ở khoảng cách dài, khả năng hấp thụ ánh sáng cao do có tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính ống lớn…7, 8. Tuy nhiên, TiO cũng có những hạn chế trong ứng dụng quang xúc tác như sự tái hợp dễ dàng giữa các cặp electron và lỗ trống quang sinh (10‒10 giây)9 làm giảm hiệu suất phân hủy, chỉ hoạt động quang xúc tác dưới nguồn ánh sáng tử ngoại gần, khó tách và tái chế sau quá trình xử lý nước... Để khắc phục những hạn chế trên các nhà khoa học đã tiến hành pha tạp, biến tính bề mặt hoặc kết hợp với các chất bán dẫn khác và đồng thời cố định chúng trên các pha nền khác nhau như khoáng sét montmorillonite (MMT), zeolit, carbon nhằm cải thiện hơn nữa hoạt tính quang xúc tác của TiO10, 11, 12. Vật liệu khoáng bentonite giàu MMT sẵn có từ các nguồn khoáng sản tự nhiên, giá thành thấp, đặc biệt có cấu trúc lớp thuộc họ vật liệu mao quản trung bình, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt, trao đổi cation và tính chịu nhiệt cao13, 14, 15. Việc sử dụng MMT làm pha nền cho vật liệu nanocomposite có thể tận dụng được khả năng lưu giữ tốt các tác nhân ô nhiễm cũng như tâm hoạt động xúc tác, từ đó giúp nâng cao hiệu quả xúc tác16, 5, 17. Do đó, bài báo này trình bày việc tổng hợp vật liệu nanocomposite MMT/TiO nhằm tăng cường khả năng hấp phụ và phân hủy rhodamine B trong vùng UVC.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Hóa chất
Titanium dioxide (TiO) (Merck) entonite, ethanol (Việt Nam) nitric acid, sodium hydroxide, sodium chloride, rhodamine B (Trung Quốc).
Tổng hợp MMT từ bentonite
Khuấy hỗn hợp dung dịch gồm 200 g entonite và 5 L nước cất trong 24 giờ và để lắng 5 giờ. Thêm 1 g muối NaCl, khuấy cơ trong 3 giờ và để lắng 24 giờ. Sau khi lắng, thu được phần huyền phù, ly tâm 30 phút với tốc độ quay 3500 vòng/phút. Sau đó, hỗn hợp được rửa bằng nước cất trong 4 giờ và để lắng 8 giờ. Thêm ethanol (30% so với thể tích dung dịch) vào dung dịch và khuấy 30 phút. Sau đó để lắng và bắt đầu ly tâm thu hồi MMT. Sản phẩm rắn cuối cùng sau khi ly tâm được sấy khô ở 60 °C, nghiền mịn để thu được sản phẩm MMT tinh khiết.
Tổng hợp TiO
Ống nano TiO (TiO) được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt trên hệ thủy nhiệt được thiết kế như Figure 1 với nguồn nguyên liệu ban đầu là bột TiO thương mại (TiO-Merck), pha anatas, độ tinh khiết > 99%, có màu trắng sữa mịn.
(a) Bình chứa mẫu (bình teflon) (b) Bình bảo vệ (bình thép không gỉ) (c) Hệ thủy nhiệt.
Bột TiO2 được phân tán trong dung dịch NaOH 10M, tỉ lệ mol TiO2 : NaOH là 1:30, bằng máy khuấy từ trong thời gian 4 giờ, ở 50 oC. Huyền phù này sau đó được thủy nhiệt trong bình autoclave có lót teflon với nhiệt độ 130 oC trong 24 giờ. Sản phẩm sau quá trình thủy nhiệt được lọc rửa sạch bằng nước DI đến pH9, và ngâm trong dung dịch HNO3 2M đến pH7. Sau đó rửa lại bằng nước cất. Ly tâm thu hồi phần bột rắn và phân tán trong nước DI (80 oC) trong 4 giờ để loại bỏ muối tạo thành khi sử dụng acid trung hòa dung dịch. Sau đó ly tâm thu hồi phần bột rắn và sấy 60 oC cho tới khi khô. Sản phẩm cuối cùng được nung trong không khí ở nhiệt độ 400 oC trong 2 giờ với tốc độ nâng nhiệt là 5o/phút, thu được vật liệu TiO2-NTs
Tổng hợp nanocomposite MMT/TiO
2,00 g MMT được phân tán trong 100 mL nước DI bằng máy khuấy từ trong thời gian 24 giờ để MMT trương nở hoàn toàn. Sau đó, cho 0,2064 g TiO vào dung dịch huyền phù MMT khuấy từ trong 4 giờ và đánh siêu âm 1 giờ. Ly tâm thu hồi mẫu rắn với tốc độ quay 3.500 vòng/phút trong 15 phút. Sản phẩm rắn sau khi ly tâm được sấy khô ở 80 °C trong 24 giờ và thu được vật liệu nanocomposite MMT/TiO.
Quy trình hấp phụ và phân hủy rhodamine B
Nguồn sáng được sử dụng là đèn UVC hoạt động ở bước sóng 254 nm, công suất 15 W. Để đánh giá khả năng xử lý phẩm nhuộm RhB, các thí nghiệm được tiến hành lần lượt trong điều kiện bóng tối và khi được chiếu xạ UVC, theo quy trình sau:
- Khảo sát khả năng hấp phụ: Cho 10 mg chất xúc tác vào 100 mL dung dịch RhB nồng độ ban đầu 10 ppm (C), khuấy từ trong bóng tối 240 phút, cách 30 phút lấy mẫu 1 lần, xác định lượng RhB còn lại trong dung dịch (C), rồi tính lượng chất bị hấp phụ (q). Dựa vào đồ thị sự phụ thuộc q vào thời gian, suy ra thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu.
- Khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Lấy 10 mg chất xúc tác khuấy trong 100 mL dung dịch RhB trong bóng tối đến khi dung dịch đạt cân bằng hấp phụ. Chiếu xạ bằng đèn UVC 15 W (254 nm) (từ phút thứ 0 đến 210 phút), cách 30 phút rút 5 mL dung dịch cho vào các falcon, các mẫu được ly tâm 4.000 rpm trong 10 phút để tách vật liệu ra khỏi dung dịch thuốc nhuộm. Sử dụng phần dung dịch thu được để đo UV –Vis và tính hiệu suất phân hủy.
Các phương pháp đánh giá
Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu sản phẩm được ghi trên nhiễu xạ kế tia X D2-PHASER với tia Cu-Kα (dùng tấm lọc Ni) có bước sóng λ=1,5406 A, điện áp gia tốc 40 kV, cường độ dòng điện 40 mA, góc quét 2θ = 5‒80, tốc độ quét 0,030 /s. Kích thước hạt trung bình được tính dựa vào đỉnh đặc trưng trên giản đồ XRD theo phương trình Scherrer6. Phổ hồng ngoại (FTIR) được đo từ 4000‒400 cm trên máy Nicolet iS 50 (FT-IR, Thermo, USA). Ảnh TEM được chụp trên thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1400 kèm bộ chụp ảnh X-Ray và phần mềm chụp ảnh 3D, của hãng JEOL-Nhật Bản. Điện áp thế 120 KV, chụp ảnh truyền qua với độ phóng đại 50‒1.200.000 lần. Ảnh SEM của các mẫu được đo bằng thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi S4800. EDX HORIBA H-7593 nhằm phát hiện các thành phần nguyên tố trong hợp chất và thông tin về tỷ số phần trăm các nguyên tố này. Cường độ đỉnh tia X tỷ lệ với phần trăm nguyên tố có mặt trong mẫu. Phổ UV-Vis được đo trên máy đo quang phổ Jasco V-670.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Thành phần, hình thái bề mặt
Figure 2a cho thấy bề mặt MMT có dạng vảy phiến (sheet) với kích thước và hình dạng khác nhau được sắp xếp theo một cách ngẫu nhiên. Thành phần hóa học của MMT gồm các nguyên tố Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, O, Si (Figure 2b). Ảnh TEM của TiO (Figure 2c) cho thấy các ống nano TiO sau khi tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có kích thước tương đối đồng đều với đường kính ống trung bình 5 nm, chiều dài ống 110 nm và hình thành theo nhiều hướng khác nhau. Quá trình thủy nhiệt TiO trong NaOH đã làm phá vỡ các liên kết Ti–O–Ti, các ion Ti trao đổi với ion Na để hình thành dạng liên kết Ti–O–Na, còn các ion Na dần bị thay thế bởi các ion H để hình thành liên kết Ti–OH. Quá trình khử nước của của liên kết Ti– OH hình thành liên kết Ti–O–Ti hoặc liên kết hydrogen Ti–O…-H-O–Ti, các liên kết Ti–O–Ti có thể kết nối với nhau tại đoạn cuối để tạo thành cấu trúc dạng ống19, 20.
Khi biến tính TiO vào MMT, các ống nano TiO được phân tán xen kẽ và ngẫu nhiên vào các lớp MMT để tạo ra cấu trúc không đồng nhất, hình thái bề mặt của MMTTiO được thể hiện như Figure 2d và Figure 2e. Kết quả EDX (Figure 2f) cho thấy thành phần hóa học của MMT/TiO ngoài các nguyên tố của MMT (Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, O, Si ), còn có thêm một lượng nhỏ nguyên tố Ti (5,20 %wt), đồng thời %wt của nguyên tố O trong MMT/TiO cũng tăng so với MMT; chứng tỏ có sự tồn tại của liên kết Ti– O– Ti sau khi biến tính TiO vào MMT.
Ảnh SEM của MMT (a); EDX của MMT (b); Ảnh TEM của TiO2-NTs (c); Ảnh SEM của MMT/TiO2-NTs (d); Ảnh TEM của MMT/TiO2-NTs (e) và EDX của MMT/TiO2-NTs (f).
Giản đồ nhiễu xạ tia X
Kết quả phân tích XRD của TiO anatas, TiO, MMT và MMT/TiO được thể hiện ở Figure 3. Các hạt nano TiO ban đầu có pha kết tinh chủ yếu là anatase gồm các đỉnh nhiễu xạ 2θ ở 25,3°; 37,9°; 47,8°; 54,3°; 55° và 62,7° tương ứng với các mặt mạng (101), (004), (200), (105), (211) và (204) với đỉnh đặc trưng A(101). Đây là cấu trúc có hoạt tính quang xúc tác cao nhất của TiO. Các ống nano TiO sau khi được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có độ kết tinh thấp, ngoài các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với pha anatase còn có pha rutile và các tạp chất như HTiO và NaTiO, điều này cho thấy trong quá trình thủy nhiệt các phản ứng hóa học xảy ra không hoàn toàn9, 21.
MMT có các đỉnh nhiễu xạ tại 2θ = 6,1; 19,91; 20,91; 26,67; 29,42; 34,91; 62,1; với mặt mạng đặc trưng (001) tại 6,1°, d = 14,48 Å, kích thước hạt trung bình là 1,17 nm3, 7. Sau khi biến tính, đỉnh đặc trưng (001) của MMT tại góc 2θ=6,1° đã dịch sang vị trí góc 2θ=9,2°, làm độ rộng khoang sét giảm [d(001)=9,06 Å]. Ngoài ra, trong MMT/TiO cũng tồn tại một ít pha rultile và tạp chất NaTiO. Do đường kính của TiO là 5 nm, lớn hơn rất nhiều so với khoang sét, nên các ống TiO khó chui vào nằm trong khoang sét mà ưu tiên bao quanh các phiến sét MMT và tạo thành cấu trúc dạng sét chống ( illared interlayer clay, PILC). Các lớp sét chống này chèn lên các lớp MMT là nguyên nhân làm cho độ rộng khoang sét của MMT giảm từ 14,48 Angstrom xuống còn 9,06 Å. Kết quả này phù hợp với các công bố22, 23, 24.
Giản đồ XRD của TiO2, TiO2-NTs, MMT và MMT/TiO2-NTs
Phổ hồng ngoại (FTIR)
Figure 4 cho thấy TiO và TiO đều có dao động đặc trưng ở số sóng 430 cm và 460 cm tương ứng với liên kết Ti-O16, 5. Ngoài ra, TiO còn có thêm các peak ở 740 cm và 908 cm cũng đặc trưng cho Ti-O10. Tại 1641 cm và tại 3390 cm các nhóm –OH trên bề mặt TiO16, 5, 10.
Đối với MMT, tại 462 cm, 524 cm, 789 cm, 987 cm, 1640 cm, 3388 cm và 3621 cm lần lượt đặc trưng cho các liên kết Si-O-Si; Al-O-Si16; Al-O Si-O; H-O-H, -OH16, 5.
Do hàm lượng TiO biến tính vào MMT có khối lượng ít hơn nhiều so với MMT (m : m = 1 : 10) nên MMT/TiO phần lớn tồn tại các dao động đặc trưng của MMT. Trong đó, vùng dao động từ 462‒686 cm đặc trưng cho sự hấp thụ của Ti-O-Ti5 và 1634 cm đặc trưng cho liên kết Ti-O5. Do không tìm thấy liên kết giữa Si-Ti nên có thể kết luận rằng liên kết trong MMT/TiO là tương tác vật lý5.
Phổ FT-IR của: hạt nano TiO2, TiO2-NTs, MMT tinh, MMT/TiO2-NTs
Khảo sát khả năng hấp phụ rhodamine B
Figure 5 cho thấy khả năng hấp phụ RhB của TiO rất thấp (H% < 10%, q <10 mg/g). Sau khi biến tính, hiệu suất và dung lượng hấp phụ của MMT/TiO tăng lần lượt là 10% và 10 mg/g so với MMT. Điều này cho thấy TiO với cấu trúc dạng ống nano đã tác động đến cấu trúc dạng khoang của MMT và làm tăng cường khả năng hấp phụ. Thời gian cân bằng hấp phụ của TiO, MMT và MMT/TiO lần lượt là 60 phút, 15 phút và 60 phút (Figure 6).
Hiệu suất hấp phụ RhB
Dung lượng hấp phụ RhB
Khảo sát khả năng quang xúc tác phân hủy RhB
Figure 7a cho thấy nếu không sử dụng chất xúc tác, thì năng lượng UVC không đủ để phân hủy RhB (H% < 10%). Do MMT chỉ có đặc tính hấp phụ, nên sau 60 phút đầu cân bằng–giải hấp, hiệu suất gần như không thay đổi khi chiếu UVC. Các ống TiO có hiệu suất quang xúc tác của khoảng 42%. Sau khi được biến tính vào MMT, TiO tạo thành các sét chống trong nanocomposie. Cấu trúc PILC là vật liệu rắn siêu xốp, có cấu trúc và tính chất độc đáo, được hình thành bởi các polycation kim loại chèn vào giữa các lớp của khoáng sét trương nở, đặc biệt là smectite. Bằng cách chống đỡ các lớp silicate, các oxide kim loại có tính năng như cột chống giữa các lớp, tạo ra các mao quản xốp kích cỡ meso và micro. Các polycation kim loại chèn giữa các lớp làm tăng khoảng cách cơ bản và diện tích bề mặt riêng của đất sét tự nhiên25, 26, 27. Vì vậy, sau khi được biến tính vào MMT, TiO làm tăng mật độ lỗ xốp của MMT và làm tăng cường khả năng hấp phụ của MMT. Từ đó làm tăng khả năng lưu giữ các chất ô nhiễm hữu cơ cũng như các tâm hoạt động xúc tác trên bề mặt hay trong các khoang sét, dẫn tới hiệu quả xúc tác cao hơn so với MMT và TiO28, 29, 30 (H% = 82%). Sự mất màu của phẩm nhuộm RhB sau quá trình phân hủy quang xúc tác được thể hiện như Figure 7b. Ban đầu dung dịch RhB 10 ppm có màu hồng đậm, theo thời gian, màu sắc nhạt dần và gần như rất nhạt ở cuối chu trình phân hủy. So với các chất quang xúc tác khác dựa trên TiO trong công bố trước đây31, 32, 33, 34, 35 ở Table 1, nghiên cứu này cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc phân hủy Rh từ MMT/TiO. Cũng ở Table 1, khi so sánh với các công bố khác có chất xúc quang dựa trên MMT, nhưng MMT không phải là pha nền trong composite3, 36, 37 thì quá trình quang xúc tác phải cần sử dụng một lượng chất xúc tác hay công suất nguồn kích thích lớn thì mới có thể đạt hiệu suất phân hủy RhB như mong muốn. Như vậy, MMT/TiO có pha nền là MMT không những tận dụng được khả năng hấp phụ của MMT làm tâm hấp phụ các phân tử thuốc nhuộm hay còn gọi là tâm xúc tác, mà còn ngăn cản quá trình tái hợp của cặp e‒h quang sinh trong TiO giúp tăng cường sản sinh ra các gốc O, OH và nhanh chóng tiếp cận các phân tử RhB tại các tâm xúc tác, từ đó làm tăng hiệu quả phân hủy RhB so với các công bố trước đây.
Hiệu suất quang xúc tác của TiO2-NTs, MMT và MMT/TiO2-NTs khi chiếu UVC
Hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB của chất xúc tác quang dựa trên TiO2-NTs so với các nghiên cứu từ 2017 đến nay
|
Chất xúc tác quang |
Nồng độ RhB (mg/L) |
Nguồn sáng và công suất (W) |
Hàm lượng chất xúc tác (mg) |
Hiệu suất (%) |
Thời gian phân hủy (phút) |
Tài liệu tham khảo |
|
MMT/TiO2-NTs |
10 |
Đèn UVC (15 W) |
10 |
82,0 |
210 |
Nghiên cứu này |
|
B–Co/TiO2-NTs |
10 |
UV |
15 |
95,5 |
600 |
|
|
In2O3/TiO2-NTs |
10 |
Đèn Xe (300W) |
- |
77 |
120 |
|
|
Pd-MnO2 nanoparticles/TiO2-NTs |
5 |
Đèn Xe (35W) |
- |
61 |
120 |
|
|
10%MWCNT/ TNT |
50 |
HPMV lamp |
50 |
89 |
60 |
|
|
Poly aniline/ Graphene oxide/ TiO2 |
5 |
Nguồn sáng khả kiến (- W) |
50 |
90 |
90 |
|
|
TiO2/MMT |
10 |
Đèn Xe (500W) |
150 |
90 |
120 |
|
|
SnO2/MMT |
20 |
Đầu dò siêu âm (68W) Untrasonic probe |
500 |
95 |
120 |
|
|
ZnO/MMT |
10 |
UVC (10W) |
10 |
60 |
300 |
|
Khi thay đổi nồng độ ban đầu [RhB] từ 3‒20 ppm, khả năng phân hủy quang xúc tác của MMT/TiO được thể hiện như Figure 8a. Kết quả cho thấy khi [RhB] càng tăng, khả năng quang xúc tác phân hủy càng giảm. Điều này được giải thích là do khi nồng độ [RhB] ban đầu tăng đã làm giảm độ dài đường đi của photon khi đi vào dung dịch thuốc nhuộm, từ đó giảm việc sản sinh các gốc OH•. Hơn nữa, việc hấp phụ các phân tử RhB trên bề mặt MMT/TiO khiến TiO bị các phân tử thuốc nhuộm che chắn, khó tiếp cận với năng lượng photon. Điều này làm giảm sự hấp thụ photon của chất xúc tác và do đó hiệu quả loại bỏ thuốc nhuộm giảm19, 20, 36. Sự khác biệt về biến đổi màu sắc dung dịch RhB 3 ppm và 20 ppm sau 210 phút chiếu xạ được thể hiện lần lượt như Figure 8b và Figure 8c. Quá trình mất màu này được giải thích như sau: khi được kích thích bởi nguồn UV-C, các ống nano TiO trên bề mặt MMT thực hiện chức năng quang xúc tác. Ban đầu, các cặp lỗ trống‒electron (eh) quang sinh được tạo ra dưới tác dụng của tia UV-C. Các electron mang điện tích âm được kích thích vượt qua vùng cấm (E) và nhảy lên vùng dẫn (CB), để lại các lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị (VB). Với sự hiện diện của khoáng sét MMT, các điện tử được tạo thành đã chuyển đến các vân đạo d trống của các kim loại trong cấu trúc của MMT36. Quá trình chuyển điện tử này có thể tạo điều kiện cho cặp eh không bị tái hợp. Sau đó, các điện tử bị giam giữ trong MMT có thể phản ứng với O trên bề mặt chất xúc tác quang để tạo ra các gốc tự do, thí dụ như O, OH và HO. Đồng thời, các lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị đã phản ứng với HO để tạo ra OH. Tất cả các gốc tự do được tạo ra được xem là tác nhân chính để làm mất màu thuốc nhuộm hữu cơ12, 7, 8. Quá trình tạo cặp eh quang sinh, vai trò giá mang điện tử của MMT được thể hiện qua các phương trình (1‒10)3.
TiO + hv (đèn UVC) → (1)
MMT + → MMT (2)
MMT + O → MMT + O¯ (3)
O¯ + H → HO(4)
HO+ O¯ + H → HO + O (5)
HO + → OH + OH (6)
HO + O¯→ OH + OH+ O (7)
+ HO → OH + H (8)
+ OH¯ → OH (9)
OH/O + RhB → Các chất trung gian, CO + HO (10)
Hiệu suất phân hủy RhB của MMT/TiO2-NTs với các [RhB] khác nhau khi chiếu UVC (a). Sự mất màu theo thời gian của RhB 3ppm (b) và 20 ppm (c).
KẾT LUẬN
MMT được tinh sạch từ khoáng entonite có độ rộng khoảng 14,5 Å và chỉ có đặc tính hấp phụ (q = 70 mg/g). TiO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với đường kính ống trung bình là 5 nm, chiều dài ống 110 nm và được định hướng ngẫu nhiên. Nanocomposite MMT/TiO được tổng hợp bằng phương pháp khuấy ướt đơn giản với các ống TiO được gắn trên bề mặt và đan xen vào cấu trúc dạng vảy phiến của MMT tạo thành cấu trúc dạng sét chống. Trong đó, MMT đóng vai trò là giá mang điện tử, hạn chế sự tái hợp của cặp e-h quang sinh. Kết quả cũng cho thấy bằng cách biến tính MMT không những có thể làm tăng cường khả năng hấp phụ của MMT (q = 80 mg/g), mà còn tăng cường hiệu quả quang xúc tác TiO ([RhB] = 10ppm, H% = 82%).
LỜI CÁM ƠN
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số 562-2022-18-01.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MMT: Monmorillonite
NTs: nanotube
RhB: Rhodamine B
TQ: Trung Quốc
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Chúng tôi cam kết không có bất kỳ xung đột lợi ích nào giữa các thành viên trong nhóm nghiên cứu
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Đào Thị Băng Tâm: Thực nghiệm, thống kê, tổng hợp số liệu các phép đo và biên soạn bản thảo.
Hà Thị Thu Loan: Thực nghiệm, đo mẫu.
Nguyễn Hữu Trương: Đo mẫu, phân tích kết quả.
Nguyễn Trung Độ: Hỗ trợ kĩ thuật.
Lê Hồn Nhiên: Hỗ trợ kĩ thuật.
Hà Thúc Chí Nhân: Định hướng, tư vấn hướng nghiên cứu và chỉnh sửa bản thảo.