Xem mẫu
TỔNG HỢP BÁN DẪN LOẠI P-NIO/N- ZNO
TỪ TIỀN CHẤT (NI/ZN)-ZIF-8 VÀ ỨNG DỤNG
XÚC TÁC QUANG CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY
BRILLIANT RED B DƯỚI ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Mai Thị Thanh1
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp bán dẫn p-NiO/n-ZnO từ sự
nhiệt phân vật liệu composite (Ni/Zn)-ZIF-8. Vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp
XRD, TEM và DR-UV-Vis. Bán dẫn p-NiO/n-ZnO thu được ở dạng vô định hình và thể hiện
hoạt tính xúc tác quang rất cao cho phản ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B dưới ánh
sáng mặt trời. Hoạt tính xúc tác quang và cấu trúc của vật liệu không thay đổi nhiều sau 3 lần
sử dụng
Từ khóa: (Ni/Zn)-ZIF-8, p-NiO/n-ZnO, Brilliant Red B, Ánh sáng mặt trời.
1.
Đặt vấn đề
Phản ứng xúc tác quang, như một công nghệ "xanh", tạo ra một tiềm năng lớn để loại
bỏ hoàn toàn chất độc trong môi trường nên được sử dụng rất hiệu quả và rộng rãi [1]. Nhiều
nano oxide kim loại bán dẫn quang xúc tác, như Bi2O3, Fe2O3, TiO2, ZnO,... đã được phát
triển để tạo ra một môi trường trong sạch cho loài người [1]. Trong số các oxide kim loại bán
dẫn quang xúc tác, bán dẫn đơn oxide do các electron dẫn chính đã được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi như ZnO xúc tác quang cho phản ứng phân hủy phẩm nhuộm C.I. Acid Yellow
23 khi chiếu tia UV [2], methyl xanh (MB), methyl da cam (MO) dưới ánh sáng mặt trời [3].
TiO2 xúc tác quang cho phản ứng phân hủy naphthol blue black (NBB) khi chiếu tia UV [4],...
Ngược lại, vật liệu bán dẫn đơn oxide do các lỗ trống dẫn chính như NiO, CuO,... chưa được
nghiên cứu nhiều. Gần đây, các nghiên cứu tập trung vào sự kết hợp hai loại bán dẫn nàyvà
ứng dụng trong xúc tác như p-NiO/n-TiO2 xúc tác quang cho phản ứng phân hủy Cr 2O72- [5],
vật liệu Ni(OH)2/ ZnO xúc tác quang cho phản ứng phân hủy các loại phẩm nhuộm azo như
rhodamine (RB), Congo đỏ (CR), MB và MO dưới tác dụng ánh sáng khả kiến [6]. Các vật
liệu này chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, điện hóa,… Đặc biệt, phương
pháp nhiệt phân vật liệu khung hữu cơ kim loại đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa
học. Một số nghiên cứu đã tổng hợp thành công nano ZnO từ vật liệu ZIF-8 [7, 8]. Trong
nghiên cứu này, trình bày kết quả tổng hợp bán dẫn p-NiO/n- ZnO từ tiền chất (Ni/Zn)-ZIF-8
và ứng dụng quang xúc tác cho sự phân hủy Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời.
2.
Nội dung
2.1 . Thực nghiệm
Kẽm nitrate hexahidrate (Zn(NO3)2.6H2O, Korea, ≥ 99%); niken nitrate hexahidrate
(Ni(NO3)2.6H2O, Merck, ≥ 99%) được sử dụng làm nguồn kim loạị, 2-methylimidazole (C4H6N2,
Sigma-Aldrich) dùng làm chất phối trí hữu cơ, methanol (CH 3OH, China, ≥ 99%) dùng làm
1
1
. TS, Khoa Lý - Hóa - Sinh, trường Đại học Quảng Nam
MAI THỊ THANH
dung môi và phẩm nhuộm Brilliant Red B(C29H20ClN3Na2O10S3, China) được sử dụng để khảo
sát hoạt tính xúc tác quang.
Tổng hợp (Ni/Zn)-ZIF-8 theo các tài liệu [9,10] nhưng thay thế một phần
Zn(NO3)2.6H2O bằng Ni(NO3)2.6H2O với tỉ lệ mol Zn(NO3)2.6H2O/ Ni(NO3)2.6H2O trong hỗn
hợp ban đầu là 9/1 : Cho dung dịch gồm 2,52 mmol nitrat kẽm ngậm nước (Zn(NO 3)2.6H2O)
và 0,28 mmol niken nitrate hexahydrate Ni(NO3)2.6H2O hòa trong 1,4 mol methanol vào dung
dịch gồm 64,4 mmol 2-methylimidazole (C4H6N2) hòa tan trong 1,4 mol methanol, khuấy mạnh
hỗn hợp trong 24 giờ, sau đó li tâm trên máy Hettich EBA 8S với tốc độ 300 rpm trong 10
phút, thu phần rắn rửa 3 lần với methanol. Sản phẩm thu được sấy qua đêm ở nhiệt độ 120oC.
Tổng hợp p-NiO/n-ZnO: Cho 2 gam (Ni.Zn) - ZIF-8 vào chén sứ, đặt trong lò nung
CARBOLITE (Anh), gia nhiệt đến 500oC và nung ở 500oC trong 5 giờ, làm nguội sản phẩm
ở nhiệt độ phòng.
Cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia
X ghi trên máy D8-Avance-Bruker với tia phát xạ CuKαcông suất 40 kV, góc quét từ 1o đến
30o. Hình thái của vật liệu được ghi trên máy JEOL JEM - 2100F(Nhật). Phổ UV-Vis-DR được
đo trên máy JASCO-V670 với bước sóng từ 200 nm đến 800 nm.
Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của p-NiO/n- ZnO: Cho 0,02 gam vật liệu p-NiO/nZnO vào bình dung tích 250 ml chứa 100 ml dung dịch Brilliant Red B trong nước với nồng
độ 30 mg.L-1, khuấy hỗn hợp trong bóng tối ở 28oC bằng máy khuấy từ để vật liệu phân bố
đều trong hỗn hợp. Sau 5 giờ (bảo đảm cho sự hấp phụ đạt bão hòa), xác định nồng độ của
dung dịch phẩm nhuộm sau hấp phụ bằng phương pháp UV-Vis Perkin-Elmer
Spectrophotometer ở ëmax của phẩm nhuộm (495 nm). Hỗn hợp sau hấp phụ được khuấy
bằng máy khuấy từ và chiếu ánh sáng mặt trời ở nhiệt độ 28 oC và chỉ số UV = 5. Xác định
nồng độ dung dịch phẩm nhuộm ở từng thời điểm cho đến 2 giờ.
Tái sinh chất xúc tác quang: Cho 0,04 gam p-NiO/n-ZnO/ 100 mL dung dịch Brilliant
Red B nồng độ 30 mg.L-1 vào bình dung tích 250 mL. Hỗn hợp phản ứng được khuấy bằng
máy khuấy từ và chiếu ánh sáng mặt trời trong 120 phút ở nhiệt độ 280C, chỉ số UV = 3. Lọc
lấy dung dịch xác định lại nồng độ theo thời gian, phần chất hấp phụ được dùng để tái sử
dụng lần 2, lần 3 theo qui trình tương tự như trên. Vật liệu sau mỗi lần sử dụng được sấy qua
đêm ở 120oC và kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
2
MAI THỊ THANH
2.2 . Kết quả và thảo luận
Hình 1. Giản đồ XRD của ZIF-8 [2], (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO
Hình 1 trình bày giản đồ XRD của ZIF-8, (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO. Kết quả cho
thấy (Ni/Zn)-ZIF-8 xuất hiện các pic đặc trưng cho cấu trúc khung hữu cơ kim loại ZIF-8 [2],
chứng tỏ cấu trúc của ZIF-8 vẫn giữ nguyên khi thay thế một phần Zn2+ bằng Ni2+. Khi nung
vật liệu ở 500oC thì các pic của (Ni/Zn)-ZIF-8 bị biến mất và không xuất hiện pic đặc trưng
nào, gần như thu được vật liệu vô định hình.
Hình 2. Ảnh TEM của (Ni/Zn)-ZIF-8 và p- NiO/n- ZnO
Ảnh TEM của (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO được trình bày trên Hình 2.Kết quả cho
thấy, kích thước hạt của mẫu (Ni/Zn)-ZIF-8 rất đều và dao động trong khoảng 40-50
3
MAI THỊ THANH
nm.Ngược lại trong mẫu p-NiO/n-ZnO các hạt tồn tại ở hai kích thước khoảng 10-15 nm và
40-50 nm xen kẽ nhau.Vậy bằng ảnh TEM, cho thấy kích thước hạt của
p-NiO/n-ZnO (b)
p- NiO/ n- ZnO nhỏ hơn so với của tiền chất (Ni/Zn)-ZIF
-8.
Hình 3. Giản đồ UV-Vis của ZnO, p-NiO/n-ZnO (a) và đồ thị Tauc của
Phổ DR-UV-Vis của nano lưỡng oxide p-NiO/n- ZnO được thể hiện trên Hình 3a. Kết
quả cho thấy, phổ DR-UV-Vis của p-NiO/n-ZnO có dạng đường tương tự ZnO, nhưng cường
độ hấp phụ cao hợp nhiều, điều này có thể do sự dịch chuyển các bước sóng hấp phụ về
phía ánh sáng có bước sóng dài (red shift). Năng lượng vùng cấm của vật liệu được xác định
theo phương trình Tauc (Hình 3b), kết quả dược thể hiện trên Bảng 1.
Bảng 1. Năng lượng vùng cấm p-NiO/n-ZnO
Vật liệu
NiO-
Eg1
Eg2
0,89
3 , 12
ZnO
Với giá trị năng lượng vùng cấm này, bán dẫn p-NiO/ n-ZnO được kỳ vọng là vật liệu
có hoạt tính xúc tác quang rất cao. Hình 4 trình bày sự phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red
B, trong tối và dưới ánh sáng mặt trời với các chất xúc tác NiO, ZnO và p-NiO/ n-ZnO. Kết
quả cho thấy, đối với các mẫu NiO và ZnO thì tỉ phần (Ct/Co) của Brilliant Red B gần như
không đổi trong tối cũng như khi chiếu sáng ánh sáng mặt trời. Điều này chứng tỏ rằng các
vật liệu NiO và ZnO gần như không có khả năng hấp phụ cũng như hoạt tính xúc tác quang
cho phản ứng phân hủy Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời. Điều đáng chú ý, với sự có
mặt p-NiO/ n-ZnO không làm thay đổi tỉ phần (Ct/Co) của Brilliant Red B trong tối nhưng tỉ
phần này giảm 98 % khi chiếu ánh sáng mặt trời. Vậy p-NiO/ n-ZnO có hoạt tính xúc tác quang
rất cao đối với phản ứng phân hủy Brilliant Red B bởi ánh sáng mặt trời.
4
MAI THỊ THANH
Hình 4. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu p-NiO/ n-ZnO với phản
ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời
Kết quả trên cho thấy, hoạt tính xúc tác quang của bán dẫn p-NiO/n-ZnO cải thiện rất
nhiều so với các đơn oxide NiO và ZnO. Điều này có thể do sự xen lẫn giữa vùng dẫn và vùng
hóa trị của NiO (Eg= 3,5 eV) và ZnO (Eg = 3,2 eV) nên sự chuyển dịch electron và lỗ trống
giữa hai chất bán dẫn này thuận lợi về mặt nhiệt động, làm thu hẹp năng lượng vùng cấm của
bán dẫn p-NiO/n-ZnO [ 5 ]. Hơn nữa, NiO ít ảnh hưởng đến cấu trúc của ZnO nên rất thuận
lợi để tạo vùng tiếp dẫn dị thể p-n với ZnO và điện trường nội được hình thành ở vùng tiếp
này với p-NiO tích điện âm và n-ZnO tích điện dương [5], [11]. Khi nhận năng lượng kích
thích, electron quang sinh có thể di chuyển đến vùng dẫn của ZnO và lỗ trống quang sinh di
chuyển đến vùng hóa trị của NiO nên ngăn chặn sự tái hợp của cặp electron - lỗ trống quang
sinh [5], [11].
Để đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng chất xúc tác p-NiO/n-ZnO, chúng tôi tiến
hành tái sử dụng p-NiO/n-ZnO ba lần trong phản ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B
dưới ánh sáng mặt trời. Hoạt tính xúc tác quang và giản đồ XRD của p-NiO/n-ZnO sau ba lần
tái sử dụng được thể hiện trên Hình 5. Kết quả cho thấy, hoạt tính xúc tác quang của p-NiO/nZnO thay đổi không đáng kể sau ba lần sử dụng. Giản đồ XRD cũng cho thấy rằng cấu trúc
vật liệu vẫn bền vững sau ba lần xúc tác. Chứng tỏ, vật liệu p-NiO/n-ZnO bền và có khả năng
tái sử dụng tốt trong phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy phẩm nhuộm.
5
nguon tai.lieu . vn
TỪ TIỀN CHẤT (NI/ZN)-ZIF-8 VÀ ỨNG DỤNG
XÚC TÁC QUANG CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY
BRILLIANT RED B DƯỚI ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Mai Thị Thanh1
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp bán dẫn p-NiO/n-ZnO từ sự
nhiệt phân vật liệu composite (Ni/Zn)-ZIF-8. Vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp
XRD, TEM và DR-UV-Vis. Bán dẫn p-NiO/n-ZnO thu được ở dạng vô định hình và thể hiện
hoạt tính xúc tác quang rất cao cho phản ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B dưới ánh
sáng mặt trời. Hoạt tính xúc tác quang và cấu trúc của vật liệu không thay đổi nhiều sau 3 lần
sử dụng
Từ khóa: (Ni/Zn)-ZIF-8, p-NiO/n-ZnO, Brilliant Red B, Ánh sáng mặt trời.
1.
Đặt vấn đề
Phản ứng xúc tác quang, như một công nghệ "xanh", tạo ra một tiềm năng lớn để loại
bỏ hoàn toàn chất độc trong môi trường nên được sử dụng rất hiệu quả và rộng rãi [1]. Nhiều
nano oxide kim loại bán dẫn quang xúc tác, như Bi2O3, Fe2O3, TiO2, ZnO,... đã được phát
triển để tạo ra một môi trường trong sạch cho loài người [1]. Trong số các oxide kim loại bán
dẫn quang xúc tác, bán dẫn đơn oxide do các electron dẫn chính đã được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi như ZnO xúc tác quang cho phản ứng phân hủy phẩm nhuộm C.I. Acid Yellow
23 khi chiếu tia UV [2], methyl xanh (MB), methyl da cam (MO) dưới ánh sáng mặt trời [3].
TiO2 xúc tác quang cho phản ứng phân hủy naphthol blue black (NBB) khi chiếu tia UV [4],...
Ngược lại, vật liệu bán dẫn đơn oxide do các lỗ trống dẫn chính như NiO, CuO,... chưa được
nghiên cứu nhiều. Gần đây, các nghiên cứu tập trung vào sự kết hợp hai loại bán dẫn nàyvà
ứng dụng trong xúc tác như p-NiO/n-TiO2 xúc tác quang cho phản ứng phân hủy Cr 2O72- [5],
vật liệu Ni(OH)2/ ZnO xúc tác quang cho phản ứng phân hủy các loại phẩm nhuộm azo như
rhodamine (RB), Congo đỏ (CR), MB và MO dưới tác dụng ánh sáng khả kiến [6]. Các vật
liệu này chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, điện hóa,… Đặc biệt, phương
pháp nhiệt phân vật liệu khung hữu cơ kim loại đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa
học. Một số nghiên cứu đã tổng hợp thành công nano ZnO từ vật liệu ZIF-8 [7, 8]. Trong
nghiên cứu này, trình bày kết quả tổng hợp bán dẫn p-NiO/n- ZnO từ tiền chất (Ni/Zn)-ZIF-8
và ứng dụng quang xúc tác cho sự phân hủy Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời.
2.
Nội dung
2.1 . Thực nghiệm
Kẽm nitrate hexahidrate (Zn(NO3)2.6H2O, Korea, ≥ 99%); niken nitrate hexahidrate
(Ni(NO3)2.6H2O, Merck, ≥ 99%) được sử dụng làm nguồn kim loạị, 2-methylimidazole (C4H6N2,
Sigma-Aldrich) dùng làm chất phối trí hữu cơ, methanol (CH 3OH, China, ≥ 99%) dùng làm
1
1
. TS, Khoa Lý - Hóa - Sinh, trường Đại học Quảng Nam
MAI THỊ THANH
dung môi và phẩm nhuộm Brilliant Red B(C29H20ClN3Na2O10S3, China) được sử dụng để khảo
sát hoạt tính xúc tác quang.
Tổng hợp (Ni/Zn)-ZIF-8 theo các tài liệu [9,10] nhưng thay thế một phần
Zn(NO3)2.6H2O bằng Ni(NO3)2.6H2O với tỉ lệ mol Zn(NO3)2.6H2O/ Ni(NO3)2.6H2O trong hỗn
hợp ban đầu là 9/1 : Cho dung dịch gồm 2,52 mmol nitrat kẽm ngậm nước (Zn(NO 3)2.6H2O)
và 0,28 mmol niken nitrate hexahydrate Ni(NO3)2.6H2O hòa trong 1,4 mol methanol vào dung
dịch gồm 64,4 mmol 2-methylimidazole (C4H6N2) hòa tan trong 1,4 mol methanol, khuấy mạnh
hỗn hợp trong 24 giờ, sau đó li tâm trên máy Hettich EBA 8S với tốc độ 300 rpm trong 10
phút, thu phần rắn rửa 3 lần với methanol. Sản phẩm thu được sấy qua đêm ở nhiệt độ 120oC.
Tổng hợp p-NiO/n-ZnO: Cho 2 gam (Ni.Zn) - ZIF-8 vào chén sứ, đặt trong lò nung
CARBOLITE (Anh), gia nhiệt đến 500oC và nung ở 500oC trong 5 giờ, làm nguội sản phẩm
ở nhiệt độ phòng.
Cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia
X ghi trên máy D8-Avance-Bruker với tia phát xạ CuKαcông suất 40 kV, góc quét từ 1o đến
30o. Hình thái của vật liệu được ghi trên máy JEOL JEM - 2100F(Nhật). Phổ UV-Vis-DR được
đo trên máy JASCO-V670 với bước sóng từ 200 nm đến 800 nm.
Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của p-NiO/n- ZnO: Cho 0,02 gam vật liệu p-NiO/nZnO vào bình dung tích 250 ml chứa 100 ml dung dịch Brilliant Red B trong nước với nồng
độ 30 mg.L-1, khuấy hỗn hợp trong bóng tối ở 28oC bằng máy khuấy từ để vật liệu phân bố
đều trong hỗn hợp. Sau 5 giờ (bảo đảm cho sự hấp phụ đạt bão hòa), xác định nồng độ của
dung dịch phẩm nhuộm sau hấp phụ bằng phương pháp UV-Vis Perkin-Elmer
Spectrophotometer ở ëmax của phẩm nhuộm (495 nm). Hỗn hợp sau hấp phụ được khuấy
bằng máy khuấy từ và chiếu ánh sáng mặt trời ở nhiệt độ 28 oC và chỉ số UV = 5. Xác định
nồng độ dung dịch phẩm nhuộm ở từng thời điểm cho đến 2 giờ.
Tái sinh chất xúc tác quang: Cho 0,04 gam p-NiO/n-ZnO/ 100 mL dung dịch Brilliant
Red B nồng độ 30 mg.L-1 vào bình dung tích 250 mL. Hỗn hợp phản ứng được khuấy bằng
máy khuấy từ và chiếu ánh sáng mặt trời trong 120 phút ở nhiệt độ 280C, chỉ số UV = 3. Lọc
lấy dung dịch xác định lại nồng độ theo thời gian, phần chất hấp phụ được dùng để tái sử
dụng lần 2, lần 3 theo qui trình tương tự như trên. Vật liệu sau mỗi lần sử dụng được sấy qua
đêm ở 120oC và kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
2
MAI THỊ THANH
2.2 . Kết quả và thảo luận
Hình 1. Giản đồ XRD của ZIF-8 [2], (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO
Hình 1 trình bày giản đồ XRD của ZIF-8, (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO. Kết quả cho
thấy (Ni/Zn)-ZIF-8 xuất hiện các pic đặc trưng cho cấu trúc khung hữu cơ kim loại ZIF-8 [2],
chứng tỏ cấu trúc của ZIF-8 vẫn giữ nguyên khi thay thế một phần Zn2+ bằng Ni2+. Khi nung
vật liệu ở 500oC thì các pic của (Ni/Zn)-ZIF-8 bị biến mất và không xuất hiện pic đặc trưng
nào, gần như thu được vật liệu vô định hình.
Hình 2. Ảnh TEM của (Ni/Zn)-ZIF-8 và p- NiO/n- ZnO
Ảnh TEM của (Ni/Zn)-ZIF-8 và p-NiO/n-ZnO được trình bày trên Hình 2.Kết quả cho
thấy, kích thước hạt của mẫu (Ni/Zn)-ZIF-8 rất đều và dao động trong khoảng 40-50
3
MAI THỊ THANH
nm.Ngược lại trong mẫu p-NiO/n-ZnO các hạt tồn tại ở hai kích thước khoảng 10-15 nm và
40-50 nm xen kẽ nhau.Vậy bằng ảnh TEM, cho thấy kích thước hạt của
p-NiO/n-ZnO (b)
p- NiO/ n- ZnO nhỏ hơn so với của tiền chất (Ni/Zn)-ZIF
-8.
Hình 3. Giản đồ UV-Vis của ZnO, p-NiO/n-ZnO (a) và đồ thị Tauc của
Phổ DR-UV-Vis của nano lưỡng oxide p-NiO/n- ZnO được thể hiện trên Hình 3a. Kết
quả cho thấy, phổ DR-UV-Vis của p-NiO/n-ZnO có dạng đường tương tự ZnO, nhưng cường
độ hấp phụ cao hợp nhiều, điều này có thể do sự dịch chuyển các bước sóng hấp phụ về
phía ánh sáng có bước sóng dài (red shift). Năng lượng vùng cấm của vật liệu được xác định
theo phương trình Tauc (Hình 3b), kết quả dược thể hiện trên Bảng 1.
Bảng 1. Năng lượng vùng cấm p-NiO/n-ZnO
Vật liệu
NiO-
Eg1
Eg2
0,89
3 , 12
ZnO
Với giá trị năng lượng vùng cấm này, bán dẫn p-NiO/ n-ZnO được kỳ vọng là vật liệu
có hoạt tính xúc tác quang rất cao. Hình 4 trình bày sự phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red
B, trong tối và dưới ánh sáng mặt trời với các chất xúc tác NiO, ZnO và p-NiO/ n-ZnO. Kết
quả cho thấy, đối với các mẫu NiO và ZnO thì tỉ phần (Ct/Co) của Brilliant Red B gần như
không đổi trong tối cũng như khi chiếu sáng ánh sáng mặt trời. Điều này chứng tỏ rằng các
vật liệu NiO và ZnO gần như không có khả năng hấp phụ cũng như hoạt tính xúc tác quang
cho phản ứng phân hủy Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời. Điều đáng chú ý, với sự có
mặt p-NiO/ n-ZnO không làm thay đổi tỉ phần (Ct/Co) của Brilliant Red B trong tối nhưng tỉ
phần này giảm 98 % khi chiếu ánh sáng mặt trời. Vậy p-NiO/ n-ZnO có hoạt tính xúc tác quang
rất cao đối với phản ứng phân hủy Brilliant Red B bởi ánh sáng mặt trời.
4
MAI THỊ THANH
Hình 4. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu p-NiO/ n-ZnO với phản
ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B dưới ánh sáng mặt trời
Kết quả trên cho thấy, hoạt tính xúc tác quang của bán dẫn p-NiO/n-ZnO cải thiện rất
nhiều so với các đơn oxide NiO và ZnO. Điều này có thể do sự xen lẫn giữa vùng dẫn và vùng
hóa trị của NiO (Eg= 3,5 eV) và ZnO (Eg = 3,2 eV) nên sự chuyển dịch electron và lỗ trống
giữa hai chất bán dẫn này thuận lợi về mặt nhiệt động, làm thu hẹp năng lượng vùng cấm của
bán dẫn p-NiO/n-ZnO [ 5 ]. Hơn nữa, NiO ít ảnh hưởng đến cấu trúc của ZnO nên rất thuận
lợi để tạo vùng tiếp dẫn dị thể p-n với ZnO và điện trường nội được hình thành ở vùng tiếp
này với p-NiO tích điện âm và n-ZnO tích điện dương [5], [11]. Khi nhận năng lượng kích
thích, electron quang sinh có thể di chuyển đến vùng dẫn của ZnO và lỗ trống quang sinh di
chuyển đến vùng hóa trị của NiO nên ngăn chặn sự tái hợp của cặp electron - lỗ trống quang
sinh [5], [11].
Để đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng chất xúc tác p-NiO/n-ZnO, chúng tôi tiến
hành tái sử dụng p-NiO/n-ZnO ba lần trong phản ứng phân hủy phẩm nhuộm Brilliant Red B
dưới ánh sáng mặt trời. Hoạt tính xúc tác quang và giản đồ XRD của p-NiO/n-ZnO sau ba lần
tái sử dụng được thể hiện trên Hình 5. Kết quả cho thấy, hoạt tính xúc tác quang của p-NiO/nZnO thay đổi không đáng kể sau ba lần sử dụng. Giản đồ XRD cũng cho thấy rằng cấu trúc
vật liệu vẫn bền vững sau ba lần xúc tác. Chứng tỏ, vật liệu p-NiO/n-ZnO bền và có khả năng
tái sử dụng tốt trong phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy phẩm nhuộm.
5