Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều chế các tính chất lý hóa và định hướng ứng dụng

Rơm là phế phẩm nông nghiệp phong phú tại Việt Nam. Xử lý rơm là một thách thức lớn. Việc đốt rơm gây phát thải khí nhà kính và bụi mịn. Nghiên cứu tìm cách biến rơm thành vật liệu hữu ích. Vật liệu carbon có nhiều ưu điểm nổi bật. Chúng bao gồm diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao và tính ổn định hóa học. Than sinh học từ rơm là một ví dụ. Nó là một loại vật liệu carbon được sản xuất từ sinh khối thông qua quá trình nhiệt phân. Các vật liệu này có khả năng hấp phụ tốt. Chúng có thể được sử dụng trong xử lý nước. Vật liệu carbon cũng đóng vai trò quan trọng trong lưu trữ năng lượng. Sự phát triển của các vật liệu carbon từ rơm góp phần giải quyết vấn đề môi trường. Đồng thời, nó tạo ra giá trị kinh tế từ tài nguyên tái tạo. Nguồn nguyên liệu rơm dồi dào, giá thành thấp. Điều này làm cho việc sản xuất vật liệu carbon từ rơm trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế. Tầm quan trọng của việc này không chỉ dừng lại ở khoa học. Nó còn mang lại lợi ích thực tiễn cho cộng đồng và nền nông nghiệp.

Luận án trình bày chi tiết các phương pháp điều chế. Than sinh học (BC) được tạo ra từ rơm qua quá trình nhiệt phân. Các yếu tố như nhiệt độ và thời gian nhiệt phân được tối ưu hóa. Điều này đảm bảo hiệu suất và chất lượng vật liệu. Vật liệu carbon từ tính (MC) được điều chế bằng cách kết hợp oxit sắt. Quá trình này giúp vật liệu dễ dàng tách khỏi dung dịch sau hấp phụ. Đây là một ưu điểm quan trọng trong xử lý nước. Than hoạt tính biến tính nitơ (ACN) được tổng hợp bằng cách sử dụng urea. Nitơ giúp tăng cường các tính chất điện hóa. Than hoạt tính biến tính nitơ và mangan (ACNMn) cũng được nghiên cứu. Mangan có thể cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng. Vật liệu nano SiO2 cũng được điều chế và kết hợp. Silica có vai trò tăng cường diện tích bề mặt và cải thiện hiệu suất điện hóa. Các phương pháp này được mô tả rõ ràng. Chúng bao gồm các bước xử lý tiền chất, nhiệt phân, và biến tính hóa học. Mỗi phương pháp đều nhằm mục đích tạo ra vật liệu carbon với các đặc tính cụ thể. Các đặc tính này phù hợp cho từng ứng dụng mục tiêu.

Cấu trúc tinh thể của vật liệu được phân tích bằng XRD. Phổ XRD cung cấp thông tin về độ kết tinh và pha. FTIR được sử dụng để xác định các nhóm chức hóa học trên bề mặt. Các nhóm chức này ảnh hưởng đến khả năng tương tác của vật liệu. SEM và TEM cung cấp hình ảnh trực quan về hình thái. Chúng cho thấy kích thước hạt, độ xốp và cấu trúc bề mặt. Phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) cũng được thực hiện. EDX xác định các nguyên tố có mặt trong vật liệu. Đặc biệt là sự hiện diện của các tác nhân biến tính như Fe, N, Mn. Các kết quả này xác nhận sự biến tính thành công. Chúng cho thấy sự phân bố đồng đều của các nguyên tố. Sự biến đổi cấu trúc và thành phần sau quá trình điều chế được làm rõ. Điều này cung cấp nền tảng vững chắc cho việc giải thích tính năng của vật liệu. Ví dụ, sự xuất hiện của các pha oxit sắt trong vật liệu carbon từ tính. Hoặc sự tích hợp nitơ vào mạng carbon trong ACN. Các phân tích này rất quan trọng.

Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp là các yếu tố quan trọng. Chúng được xác định bằng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp phụ N2. Vật liệu có diện tích bề mặt lớn thường có khả năng hấp phụ cao. Kích thước và phân bố lỗ xốp cũng ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ. Các mẫu than sinh học và carbon biến tính từ rơm thường có cấu trúc xốp. Chúng có nhiều vi mao quản và trung mao quản. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự tiếp xúc với các chất ô nhiễm. Xác định điểm điện tích không (pHPZC) cung cấp thông tin về điện tích bề mặt. Điện tích bề mặt thay đổi theo pH dung dịch. Nó ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện giữa vật liệu và chất hấp phụ. Ví dụ, pHPZC thấp cho thấy bề mặt có tính axit. Nó sẽ hấp phụ tốt các cation. Ngược lại, pHPZC cao cho thấy bề mặt có tính bazơ. Nó sẽ hấp phụ tốt các anion. Việc hiểu rõ các đặc tính này giúp tối ưu hóa điều kiện hấp phụ. Từ đó, nâng cao hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm. Các thử nghiệm động học hấp phụ và đẳng nhiệt hấp phụ cũng được tiến hành. Chúng cung cấp mô hình về cơ chế và khả năng hấp phụ cực đại.

Thuốc nhuộm xanh methylene (MB) được sử dụng làm chất thử. Đây là một loại thuốc nhuộm cation phổ biến. Nó gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Khả năng hấp phụ MB của các mẫu than sinh học (BC) và carbon từ tính (MC) được đánh giá. Đặc biệt, mẫu BCZn và MC-1 thể hiện hiệu suất hấp phụ cao. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc được tiến hành. Dữ liệu động học hấp phụ được phân tích. Các mô hình động học như pseudo-first-order và pseudo-second-order được áp dụng. Điều này giúp hiểu rõ cơ chế hấp phụ. Các đẳng nhiệt hấp phụ cũng được xác định. Mô hình Langmuir và Freundlich được sử dụng. Chúng cung cấp thông tin về khả năng hấp phụ cực đại. Vật liệu carbon biến tính từ rơm cho thấy khả năng loại bỏ MB hiệu quả. Tốc độ hấp phụ nhanh và dung lượng hấp phụ lớn. Những kết quả này khẳng định tiềm năng của vật liệu. Nó có thể được dùng để xử lý nước thải công nghiệp. Việc loại bỏ thuốc nhuộm là bước quan trọng để bảo vệ môi trường nước.

Arsenic (As) là một trong những chất gây ô nhiễm độc hại nhất. Nó tồn tại ở nhiều dạng, chủ yếu là As(III) và As(V). Cả hai dạng này đều nguy hiểm cho sức khỏe con người. Luận án khảo sát khả năng hấp phụ As(V) và As(III) của vật liệu MC-1. Vật liệu carbon từ tính được kỳ vọng có hiệu suất cao. Sắt oxit trong MC giúp tăng cường khả năng hấp phụ arsenic. Các thí nghiệm được thực hiện trong các điều kiện khác nhau. pH dung dịch là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hấp phụ arsenic. Kết quả cho thấy vật liệu MC-1 có khả năng hấp phụ đáng kể. Nó loại bỏ hiệu quả cả As(V) và As(III) khỏi dung dịch. Điều này chứng tỏ vật liệu carbon biến tính từ rơm là một lựa chọn hứa hẹn. Nó có thể được sử dụng trong công nghệ xử lý nước uống và nước thải. Việc loại bỏ arsenic đóng vai trò thiết yếu. Nó bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Khả năng tái sử dụng của mẫu MC-1 cũng được đánh giá. Đây là yếu tố quan trọng để giảm chi phí vận hành trong ứng dụng thực tế.

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng có công suất cao. Chúng có khả năng sạc/xả nhanh và tuổi thọ chu kỳ dài. Than hoạt tính là vật liệu điện cực phổ biến cho siêu tụ điện. Tuy nhiên, hiệu suất có thể được cải thiện. Luận án điều chế than hoạt tính biến tính nitơ (ACN). Nitơ được đưa vào cấu trúc carbon bằng cách sử dụng urea. Sự hiện diện của nitơ tạo ra các vị trí hoạt động mới. Chúng giúp tăng cường dung lượng điện hóa. Điện cực ACN thể hiện dung lượng riêng cao hơn. Chúng cũng có độ ổn định chu kỳ tốt hơn so với than hoạt tính không biến tính. Điều này là do sự cải thiện tính dẫn điện và khả năng thấm ướt của điện cực. Phân tích quét thế vòng (CV) cho thấy diện tích vòng lớn hơn. Phóng nạp dòng không đổi (GCD) xác nhận dung lượng điện hóa tăng. Tổng trở điện hóa (EIS) chỉ ra điện trở nội thấp hơn. Những kết quả này khẳng định tiềm năng của ACN. Nó có thể là vật liệu điện cực hiệu quả cho siêu tụ điện. Việc sử dụng rơm làm tiền chất giúp giảm chi phí sản xuất.

Silica nano (SiO2) được biết đến với diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao. Luận án nghiên cứu việc kết hợp SiO2 với than hoạt tính biến tính nitơ (ACN/SiO2). Mục tiêu là nâng cao hơn nữa dung lượng điện hóa. Silica đóng vai trò như một chất độn xốp. Nó tạo ra thêm các kênh dẫn ion và điện tử. Đồng thời, nó ngăn chặn sự xếp chồng của các lớp carbon. Điều này làm tăng diện tích bề mặt hiệu dụng cho quá trình lưu trữ năng lượng. Kết quả phân tích điện hóa cho thấy sự cải thiện đáng kể. Điện cực ACN/SiO2 đạt dung lượng riêng cao hơn đáng kể. Chúng có hiệu suất tốt hơn so với ACN đơn lẻ. Sự có mặt của SiO2 giúp cải thiện khả năng lưu trữ. Nó cũng tăng cường độ bền chu kỳ của điện cực. Ngoài ra, việc điều chế than hoạt tính biến tính N và Mn (ACNMn) cũng được thực hiện. Mangan có thể đóng góp vào quá trình lưu trữ năng lượng. Nó tạo ra các phản ứng giả tụ điện. Các nghiên cứu này cho thấy tiềm năng của vật liệu tổng hợp. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng tiên tiến. Ví dụ như pin Li-ion và siêu tụ điện.

Luận án đã điều chế thành công nhiều loại vật liệu carbon từ rơm. Chúng bao gồm than sinh học (BC), than sinh học từ tính (MC). Các loại than hoạt tính biến tính nitơ (ACN) và nitơ-mangan (ACNMn) cũng được tổng hợp. Đặc biệt, vật liệu carbon từ tính (MC-1) cho thấy khả năng hấp phụ tuyệt vời. Nó loại bỏ hiệu quả cả xanh methylene (MB) và arsenic (As(V), As(III)). Dung lượng hấp phụ cao và khả năng tái sử dụng tốt. Đối với ứng dụng điện hóa, than hoạt tính biến tính nitơ (ACN) thể hiện dung lượng điện hóa vượt trội. Sự kết hợp với silica nano (ACN/SiO2) càng nâng cao hiệu suất. Các vật liệu điện cực từ rơm có tiềm năng lớn. Chúng được dùng trong siêu tụ điện và pin Li-ion. Các tính chất lý hóa của vật liệu được phân tích kỹ lưỡng. Chúng bao gồm cấu trúc, hình thái, diện tích bề mặt và thành phần hóa học. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc. Nó chứng minh khả năng của rơm trong việc sản xuất vật liệu carbon hiệu suất cao.

Tiềm năng của vật liệu carbon từ rơm là rất lớn. Chúng có thể được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác. Ngoài xử lý nước và lưu trữ năng lượng, có thể khám phá các ứng dụng mới. Ví dụ, trong xúc tác dị thể, cảm biến hoặc vật liệu composite. Cần tiếp tục tối ưu hóa quy trình điều chế. Mục tiêu là đạt được hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tương tác ở cấp độ phân tử là cần thiết. Điều này giúp thiết kế vật liệu với tính năng vượt trội. Việc phát triển các hệ thống xử lý nước quy mô lớn dựa trên vật liệu rơm carbon là một hướng đi quan trọng. Cần nghiên cứu tích hợp vật liệu này vào các thiết bị lưu trữ năng lượng thực tế. Hướng tới việc thương mại hóa các sản phẩm từ rơm carbon. Điều này góp phần vào nền kinh tế xanh và bền vững. Việc hợp tác giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cũng rất quan trọng. Nó giúp chuyển giao công nghệ và đưa sản phẩm đến tay người dùng. Tóm lại, rơm không chỉ là chất thải. Nó là một nguồn tài nguyên quý giá cho tương lai công nghệ vật liệu.