Luận án Tiến sĩ Hóa học: Quang oxy hóa p-xylene trên xúc tác màng mỏng Eg thấp

Hợp chất hữu cơ bay hơi VOC là nguồn ô nhiễm không khí trong nhà nghiêm trọng. p-Xylene thuộc nhóm VOC thường gặp trong sơn, keo dán, nhiên liệu. Nồng độ cao gây kích ứng hô hấp, ảnh hưởng thần kinh trung ương. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ than hoạt tính có hạn chế về tuổi thọ. Phân hủy VOC bằng photocatalytic oxidation là giải pháp triệt để hơn. Chất ô nhiễm được chuyển hóa thành CO2 và H2O vô hại.

Phương pháp xử lý VOC bao gồm hấp phụ, hấp thu, đốt nhiệt và quang xúc tác. Đốt nhiệt đòi hỏi nhiệt độ cao, tốn năng lượng. Hấp phụ chỉ chuyển pha chất ô nhiễm, không phân hủy. Quang xúc tác hoạt động ở nhiệt độ phòng, tiết kiệm năng lượng. Xúc tác quang sử dụng ánh sáng tạo ra các gốc tự do oxy hóa mạnh. Các gốc hydroxyl (•OH) và superoxide (•O2-) phân hủy VOC hiệu quả. Thin film photocatalyst là dạng xúc tác phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Ba perovskite LaMnO3, LaFeO3, LaCoO3 được tổng hợp bằng sol-gel. Phân tích XRD xác nhận cấu trúc tinh thể perovskite đặc trưng. BET cho biết diện tích bề mặt riêng của từng xúc tác. SEM và TEM ghi hình ảnh vi cấu trúc bề mặt. FT-IR xác định nhóm chức rung động đặc trưng. UV-VIS đo khả năng hấp thụ photon trong vùng ánh sáng khả kiến. Năng lượng vùng cấm (Eg) được tính toán từ phổ hấp thụ. LaFeO3 cho bandgap thấp nhất, phù hợp nhất cho ứng dụng ánh sáng khả kiến.

Màng xúc tác perovskite được phủ lên ống thủy tinh Pyrex bằng phương pháp chuyên dụng. Độ dày màng được kiểm soát bằng phương pháp Stylus. XPS xác định thành phần bề mặt và trạng thái oxy hóa của kim loại. Hoạt tính photocatalytic oxidation được đánh giá qua tốc độ chuyển hóa p-xylene. LaFeO3 cho hiệu suất phân hủy cao nhất trong ba perovskite. Điều kiện phản ứng tối ưu bao gồm cường độ ánh sáng, nồng độ ban đầu. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của xúc tác màng mỏng perovskite.

UiO-66 được tổng hợp từ ZrCl4 và terephthalic acid. UiO-66-NH2 sử dụng 2-aminoterephthalic acid làm ligand. Zn-MOF-74 được điều chế từ muối kẽm và ligand hữu cơ phù hợp. XRD xác nhận cấu trúc tinh thể đặc trưng của từng MOF. BET đo diện tích bề mặt riêng rất cao của vật liệu MOFs. FT-IR xác định nhóm amino trong UiO-66-NH2. UV-VIS cho thấy UiO-66-NH2 hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn UiO-66. Bandgap thấp hơn nhờ hiệu ứng đẩy electron của nhóm -NH2.

Xúc tác MOFs dạng màng mỏng được tạo trên nền thủy tinh Pyrex. Hoạt tính quang oxy hóa p-xylene được đánh giá trong pha khí. UiO-66-NH2 cho hiệu suất phân hủy cao hơn UiO-66. Nhóm amino tăng khả năng hấp thụ photon vùng khả kiến. Zn-MOF-74 cũng cho kết quả khả quan trong phân hủy VOC. So sánh với xúc tác perovskite cho thấy ưu nhược điểm riêng. UiO-66-NH2 và LaFeO3 là hai xúc tác hiệu quả nhất được lựa chọn.

Thí nghiệm đẳng nhiệt xác định nhiệt độ phản ứng tối ưu. Áp suất riêng phần p-xylene ban đầu thay đổi để khảo sát ảnh hưởng. Tăng nồng độ p-xylene ban đầu làm tăng tốc độ phản ứng ban đầu. Nồng độ oxy ảnh hưởng đến khả năng tạo gốc tự do oxy hóa. CO2 trong hệ thống có thể ức chế phản ứng do cạnh tranh hấp phụ. Cường độ ánh sáng tăng giúp tăng số photon hấp thụ. Hiệu suất chuyển hóa p-xylene đạt giá trị tối ưu ở điều kiện cụ thể.

Phương trình động học được xây dựng theo mô hình Langmuir-Hinshelwood. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt xúc tác. Hằng số tốc độ và hằng số hấp phụ được xác định từ dữ liệu thực nghiệm. Cơ chế quang xúc tác bao gồm bước hấp thụ photon tạo cặp electron-lỗ trống. Gốc tự do •OH và •O2- là tác nhân oxy hóa chính phân hủy p-xylene. Sản phẩm trung gian và cuối cùng được phân tích bằng sắc ký khí. CO2 và H2O là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy hoàn toàn.

LaFeO3 có cấu trúc perovskite ổn định nhiệt, độ bền cơ học cao. UiO-66-NH2 có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp 3D. Cả hai đều có bandgap thấp, phù hợp với ánh sáng khả kiến. LaFeO3 cho hiệu suất ổn định trong thời gian dài vận hành. UiO-66-NH2 cho tốc độ chuyển hóa ban đầu cao hơn. Khả năng tái sử dụng của cả hai xúc tác được đánh giá tích cực. Mỗi loại xúc tác có ưu thế riêng tùy ứng dụng cụ thể.

Xúc tác màng mỏng phù hợp cho hệ thống lọc khí trong nhà. Dạng màng dễ tích hợp vào thiết bị quạt lọc không khí. Ánh sáng đèn LED đủ kích hoạt xúc tác có bandgap thấp. Ứng dụng mở rộng cho xử lý VOC trong khí thải công nghiệp. Chi phí vận hành thấp do không cần nguồn nhiệt bên ngoài. Nghiên cứu hướng đến phát triển xúc tác quang hiệu suất cao, chi phí thấp. Kết quả là nền tảng cho thương mại hóa công nghệ quang xúc tác xử lý không khí.