Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tổng hợp đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 337 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ TỔNG HỢP ĐẾN HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP TiO2-Fe2O3/GNPs Trương Ngọc Tuấn1*, Hoàng Bảo Long2, Nguyễn Thị Hoài Phương1, Phùng Xuân Thịnh3 Tóm tắt: Vật liệu tổ hợp 2 oxit TiO2-Fe2O3/GNPs được tổng hợp trực tiếp từ graphit và tinh quặng ilmenit 52% thông qua quá trình thủy nhiệt. Các yếu tố của quá trình tổng hợp như nhiệt độ thủy nhiệt, thời gian thủy nhiệt, độ pH của dung dịch thủy nhiệt, hàm lượng GNPs và sự khuấy trộn là các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến đặc trưng tính chất vật liệu và đặc biệt là hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Trong nội dung bài báo, các yếu tố trên sẽ được khảo sát và từ đó xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp. Vật liệu tổ hợp được thủy nhiệt trong thời gian 8 giờ ở nhiệt độ 150oC, với tốc độ khuấy 1000 vòng/phút, môi trường thủy nhiệt axit (PH4), với hàm lượng GNPs là 20mg, có hoạt tính xúc tác quang tốt nhất, hiệu quả chuyển hóa Cr(VI) nồng độ đầu 10 ppm đạt 99,8% sau thời gian xử lý là 90 phút trong điều kiện mô phỏng ánh sáng mặt trời. Từ khóa: Vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs; Quang xúc tác; Quang khử Cr(VI). 1. MỞ ĐẦU Vật liệu tổ hợp lâu nay đã là mối quan tâm của các nhà khoa học, các nhà công nghệ và các nhà quản lý trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc kết hợp, bổ sung khắc phục hạn chế của các vật liệu đơn lẻ trong vật liệu tổ hợp giúp tăng tính năng, hiệu quả và đa dạng về tính chất và ứng dụng của loại vật liệu này [1, 2]. Việt Nam là nước có nhiều khoáng sản như quặng than, graphit, bôxít, ilmenit, đất hiếm,... chủ yếu đang được xuất khẩu ở dạng nguyên liệu thô với giá trị thấp. Do đó, chế biến sâu các nguồn khoáng sản thành các sản phẩm có chất lượng cao, tính năng tốt, tăng giá trị kinh tế đang là chủ trương của Đảng và Nhà nước. Việc chế tạo vật liệu tổ hợp trên cơ sở oxit TiO2, Fe2O3 và graphen nanoplatelets (GNPs) từ graphit và ilmenit sẽ góp phần tạo ra một hướng vật liệu quang xúc tác có hoạt tính xúc tác quang mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến, có khả năng ứng dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp [3, 4]. Trong nghiên cứu trước vật liệu tổ hợp 2 oxit TiO2-Fe2O3/GNPs đã được tổng hợp thành công từ graphit tự nhiên và tinh quặng ilmenit 52% [5]. Trong nội dung bài báo này, một số yếu tố của quá trình tổng hợp có ảnh hưởng đến đặc trưng vật liệu và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổ hợp 2 oxit TiO2-Fe2O3/GNPs sẽ được khảo sát. Để đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu, quá trình chuyển hóa ion Cr(VI) sẽ được nghiên cứu, nhờ tác dụng của quá trình quang xúc tác khi có mặt của vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs ion Cr(VI) sẽ chuyển hóa thành Cr (III). Phương pháp xử lý Cr(VI) trong nước thải chủ yếu được sử dụng là phương pháp hóa học, đầu tiên dùng các muối có tính khử để chuyển Cr(VI) thành Cr(III), sau đó, dùng dung dịch kiềm kết tủa. Phương pháp này có nhược điểm là sử dụng một lượng lớn hóa chất, dễ phát sinh chất thải thứ cấp. Phương pháp quang xúc tác sẽ giảm thiểu việc sử dụng hóa chất, giảm chi phí xử lý, không phát sinh sản phẩm phụ và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu về quá trình tổng hợp vật liệu, xác định các thông số tối ưu của quá trình và việc đánh giá khả năng chuyển hóa ion kim loại nặng sẽ có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học, góp phần vào việc làm phong phú và tìm ra các phương pháp xử lý phù hợp đối với nguồn nước thải chứa thành thành phần ion kim loại nặng. Hóa học – Sinh học – Môi trường T. N. Tuấn, , P. X. Thịnh, “Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs.” 338 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất, thiết bị Tinh quặng ilmenit 52% của Bình Định. Graphit dạng vảy của Yên Bái. H2SO4 98% công nghiệp. Các hóa chất tinh khiết khác như KHSO4, K2S2O8 xuất xứ Trung Quốc, etanol 96% xuất xứ Việt Nam. Thiết bị sử dụng: Cân phân tích (độ chính xác ± 0,0001g), máy khuấy từ IKA (Mỹ), tủ sấy (Trung Quốc), lò nung Lenton (Anh), máy đo pH. 2.2. Tổng hợp vật liệu nano 2 oxit TiO2-Fe2O3/GNPs Quy trình chế tạo graphen nanoplatelets, dung dịch tiền chất và vật liệu tổ hợp Fe2O3- TiO2/GNPs từ tinh quặng ilmenite 52% và graphit tự nhiên tương tự như quy trình, nhóm tác giả đã công bố tại công trình [5]. Graphit được rửa sạch bằng nước cất và sấy khô trước khi sử dụng. Sau đó, lấy graphit phân tán vào dung dịch H2SO4 98%, bổ sung thêm K2S2O8. Phản ứng được tiến hành trong thời gian 3 giờ trên máy khuấy từ ở nhiệt độ bình thường. Sau đó, hỗn hợp phản ứng được đem lọc nóng thu được phần rắn. Tiếp tục, đem phần rắn thu được đi rửa sạch nhiều lần bằng axeton để loại bỏ axit thu được vật liệu graphen nanoplatelets (GNPs). Sử dụng 5g tinh quặng ilmenit 52% được trộn đều với KHSO4 theo tỷ lệ 1:7 rồi đem nung ở nhiệt độ 600oC trong 2 giờ. Chất rắn thu được đem hòa tan trong 1000 ml dung dịch H2SO4 10% thu được dung dịch tiền chất A. Quá trình hòa tan có sử dụng thêm NaOH bổ sung để điều chỉnh pH dung dịch về các môi trường khác nhau (axit, trung tính và kiềm). Lấy 100 ml dung dịch A, 50 ml etanol cho vào autoclave, bổ sung một lượng a mg (thay đổi từ 10 đến 40 mg) GNPs vào hỗn hợp. Đặt autoclave lên trên máy khuấy từ, bọc lớp vỏ gia nhiệt bao quanh autoclave, bọc bảo ôn bên ngoài. Thiết lập nhiệt độ thủy nhiệt ở các chế độ nhiệt độ khác nhau từ 100 đến 200oC, thực nghiệm diễn ra trong điều kiện có khuấy từ và không khuấy từ. Thời gian thủy nhiệt được thay đổi từ 2h đến 8h. Sau thời gian thủy nhiệt, mở autoclave ra, đem dung dịch sau thủy nhiệt được đi lọc thu lấy cặn rắn. Sau đó, cặn rắn được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ ion sunphat (kiểm tra sự có mặt của ion sunphat bằng thuốc thử Ba(OH)2), trước khi rửa lần cuối bằng nước cất 2 lần. Sấy phần chất rắn sau lọc rửa ở nhiệt độ 70oC, thu được vật liệu tổ hợp Fe2O3- TiO2/GNPs. Các yếu tố được khảo sát trong bài báo bao gồm độ pH của dung dịch thủy nhiệt, thời gian thủy nhiệt, nhiệt độ thủy nhiệt, ảnh hưởng của yếu tố khuấy trộn và hàm lượng GNPs. 2.3. Đánh giá tính chất và khả năng chuyển hóa ion Cr(VI) trong môi trường nước của vật liệu a) Tính chất của vật liệu Cấu trúc tinh thể của vật liệu được đánh giá trên thiết bị nhiễu xạ tia X mẫu bột (XRD) X’Pert Pro của hãng PANanatycal sử dụng bức xạ Cu Kα với bước quét là 0,5o, điện áp nguồn tia X là 45 kV và dòng electron là 40 mA, góc quét 2θ từ 5 đến 90o tại Viện Hóa học - Vật liệu, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. Kích thước hạt trung bình (d) của hỗn hợp oxit có thể được tính toán thông qua công thức Debye-Scherrer: 0,89.λ d= β.cosθ Trong đó: d là kích thước hạt trung bình (nm), l là bước sóng bức xạ Kα của anot Cu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 339 (0,154056 nm), β là độ rộng (FWHM) của pic tại nửa độ cao của pic cực đại (radian), θ là góc nhiễu xạ Bragg ứng với pic cực đại (độ). Năng lượng vùng cấm của vật liệu được xác định bằng công thức Kubela Munk trên cơ sở dữ liệu phổ UV - Vis DRS được đo trên máy JASCOINT V670 của Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. b) Khả năng quang xúc tác chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu Khả năng xúc tác chuyển hóa ion Cr(VI) trong môi trường nước được đánh giá bằng cách đo cường độ pic hấp phụ UV-Vis cao nhất tại bước sóng 540 nm đối với mẫu trước và sau xử lý (mẫu trước xử lý là mẫu sau khi đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp), sử dụng chất hiển thị màu diphenyl cacbazid trên thiết bị đo phổ Cary 50 Bio. Các mẫu nước chứa Cr(VI) cần xử lý được thêm vào ống nghiệm có nút bịt đầu. Thể tích chất cần xử lý ở mỗi ống nghiệm là 20ml. Hàm lượng xúc tác sử dụng là 1g/l, nồng độ Cr(VI) xử lý là 10 ppm, thời gian chiếu sáng là 90 phút, tác nhân nhận lỗ trống quang sinh là etanol 96%, lượng sử dụng là 0,2 ml. Các mẫu để trong bóng tối để đạt cân bằng hấp phụ giải hấp trong 2 giờ. Nhiệt độ tiến hành xử lý, đồng nhất là 300C. Nguồn sáng sử dụng là đèn xenon AHD350 mô phỏng ánh sáng mặt trời, công suất 350W. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sự ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt lên độ tinh thể và kích thước cỡ hạt của vật liệu tổ hợp Sự ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt đến độ tinh thể và kích thước cỡ hạt của vật liệu tổ hợp được khảo sát trên các mẫu vật liệu tổ hợp 2 oxit khi không có sự tham gia của GNPs (TFG0). Giản đồ XRD của các mẫu thủy nhiệt ở các thời gian khác nhau lần lượt là 2 giờ (TFG0-2h), 4 giờ (TFG0-4h) và 8 giờ (TFG0-8h) được tổng hợp thể hiện ở hình 1. Hình 1. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu TiO2-Fe2O3 thủy nhiệt với thời gian khác nhau. Qua quan sát các giản đồ có thể thấy rằng thời gian thủy nhiệt tăng làm cho độ tinh thể của các vật liệu TFG0 cũng tăng theo, pha anatas của vật liệu trở nên rõ rệt hơn, các pha đặc trưng khác của TiO2 không có mặt, pic đặc trưng cho Fe2O3 không xuất hiện. Sự vắng mặt của các pha khác của TiO2 đã chứng tỏ dạng thù hình chính của TiO2 là pha anatas, không có sự pha tạp của các pha khác. Sự vắng mặt của của các pha đặc trưng cho Fe2O3 có thể giải thích là do độ tinh thể của Fe2O3 tạo thành thấp, cho nên các pic đặc trưng của Fe2O3 bị che lấp bởi các pic đặc trưng cho pha anatas của TiO2. Trên giản đồ XRD ở hình 1, ở thời gian thủy nhiệt 2h, các pic đặc trưng cho pha anatas đã xuất hiện ở vị trí góc 2θ là 25,55; 38,05; 48,25, 55,08 và 63, tuy nhiên, cường độ của các píc thấp, điều này chứng tỏ, độ tinh thể của vật liệu thấp. Khi thời gian thủy nhiệt tăng lên 4 giờ, các pic bắt đầu xuất hiện rõ rệt hơn, cường độ của pic cao hơn so với mẫu thủy Hóa học – Sinh học – Môi trường T. N. Tuấn, , P. X. Thịnh, “Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs.” 340 nhiệt ở 2 giờ. Khi thời gian thủy nhiệt tiếp tục tăng lên, các pic đặc trưng cho pha anatas càng rõ rệt hơn. Kích thước hạt trung bình được tính toàn theo phương trình Debye- Scherrer với thời gian thủy nhiệt 8 giờ là 17,4 nm. Như vậy, có thể thấy rằng, thời gian thủy nhiệt có ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo thành các tinh thể của vật liệu TFG0. Khi thời gian thủy nhiệt tăng từ 2 giờ đến 8 giờ, độ tinh thể và hình thái pha anatas của vật liệu cũng tăng theo. Đối với mẫu 8h, thể hiện hết các pic đặc trưng cho pha anatas và có kích thước cỡ hạt nhỏ nhất trong khoảng thời gian khảo sát là 17,4 nm. 3.2. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt lên độ tinh thể, kích thước hạt và khả năng chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu tổ hợp Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc trưng cấu trúc tinh thể và kích thước hạt của vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs (20mg GNPs) (ký hiệu TFG20) được thể hiện trên hình 2 và bảng 1. Hình 2. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs (20mg GNPs) thủy nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả trên hình 2 và bảng 1 cho thấy, trong cùng một thời gian thủy nhiệt (8 giờ), khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, độ tinh thể của hạt cũng tăng (thể hiện ở sự tăng dần của cường độ pic đặc trưng cho pha anatas), tuy nhiên, kích thước cỡ hạt của sản phẩm cũng tăng theo. Điều này có thể được giải thích là ở nhiệt độ thấp, quá trình tạo mầm tinh thể 2 oxit trên nền GNPs diễn ra êm dịu hơn, cho nên các hạt phát triển từ từ và nhờ đó các hạt có kích thước trung bình nhỏ hơn. Còn khi tiến hành thủy nhiệt ở nhiệt độ cao, quá trình tạo mầm và sự lớn lên của mầm xảy ra nhanh hơn làm các hạt có xu hướng kết tụ lại làm các hạt có kích thước lớn hơn. Bảng 1. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến kích thước cỡ hạt. STT Tên mẫu Vị trí pic đặc trưng có cường độ cao nhất (o) Độ rộng của pic tại nửa độ cao của pic cực đại (o) Kích thước trung bình (nm) 1 TFG20-100 25,55 0,54 14,9 2 TFG20-120 25,67 0,53 15,2 3 TFG20-150 25,63 0,51 15,8 4 TFG20-180 25,65 0,42 19,2 5 TFG20-200 25,55 0,38 21,2 Ở 100oC, sản phẩm thủy nhiệt cũng đã hình thành pha anatas, tuy nhiên, các pic đặc trưng còn chưa thể hiện rõ rệt. Khi nhiệt độ thủy nhiệt nâng lên 150oC các pic đã hiện ra rõ ràng. Từ nhiệt độ 100oC đến 150oC ta thấy, sự thay đổi kích thước cỡ hạt gần như không đáng kể, điều này có thể giải thích là do các hạt tinh thể đã đạt tới giới hạn kích thước, khi Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 341 nhiệt độ thủy nhiệt trên 150oC, kích thước cỡ hạt của vật liệu trở nên to hơn và sự có sự tăng mạnh hơn về sai lệch kích thước. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu thể hiện ở khả năng chuyển hóa Cr (VI), hiệu suất chuyển hóa sau 90 phút được thể hiện trên biểu đồ tại hình 3. Hình 3. Biểu đồ xác định hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến khả năng chuyển hóa Cr(VI) của các mẫu TiO2-Fe2O3/GNPs (20mg GNPs). Qua biểu đồ ở hình 3 có thể thấy rằng, trong các vật liệu TFG thì vật liệu được thủy nhiệt ở nhiệt độ 150oC có hoạt tính xúc tác quang cao nhất, đạt 99% sau 90 phút, mẫu vật liệu có hoạt tính thấp nhất là mẫu thủy nhiệt ở 100oC mặc dù mẫu TFG20-100 có kích thước cỡ hạt nhỏ nhất. Điều này có thể giải thích là do độ tinh thể của mẫu TFG20-100 thấp, cho nên trong cấu trúc còn nhiều thành phần có cấu trúc pha vô định hình và vì vậy, một phần trong sản phẩm thủy nhiệt ở nhiệt độ 100oC không có hoạt tính xúc tác quang. Trong khi đó, ở các mẫu có nhiệt độ thủy nhiệt cao, mặc dù có độ tinh thể cao hơn so với mẫu thủy nhiệt ở nhiệt độ 150oC nhưng có hoạt tính xúc tác quang không cao bằng. Điều này cũng có thể giải thích là do mẫu thủy nhiệt ở nhiệt độ cao có kích thước tinh thể trung bình lớn hơn và quá trình kết tinh do tiến hành ở nhiệt độ cao làm cho trong cấu trúc mạng của vật liệu có nhiều khuyết tật làm giảm hoạt tính quang xúc tác. 3.3. Sự ảnh hưởng của hàm lượng GNPs lên độ tinh thể, kích thước hạt, năng lượng vùng cấm và khả năng chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu tổ hợp Độ tinh thể của TiO2-Fe2O3/GNPs với các hàm lượng GNPs khác nhau (tiến hành trong cùng thời gian thủy nhiệt 8 giờ và nhiệt độ thủy nhiệt 150oC) được nghiên cứu thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) (hình 4). Giản đồ XRD của vật liệu tổng hợp cho thấy sự có mặt của các pic tại các góc 2θ = 25,7; 38,2; 48,3; 54,2; 55,3; 63 và 69,1o tương ứng với các pic đặc trưng của pha anatas. Các pic đặc trưng cho pha rutil không xuất hiện trên giản đồ, điều này chứng tỏ độ tinh khiết cao của pha anatas (pha có vai trò chính ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác quang của TiO2) trong mẫu vật liệu tổng hợp. Hình 4. Giản đồ XRD của các mẫu TiO2-Fe2O3/GNPs với hàm lượng GNPs khác nhau. Pic đặc trưng của graphen không được quan sát thấy trên giản đồ XRD của vật liệu TFG10, điều này có thể là do pic đặc trưng của graphen bị hợp nhất với pic đặc trưng cho Hóa học – Sinh học – Môi trường T. N. Tuấn, , P. X. Thịnh, “Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs.” 342 pha anatas rất mạnh của TiO2. Đối với các mẫu TFG khác khi hàm lượng GNPs tăng lên pic đặc trưng của GNPs (tương ứng với góc 2θ khoảng 26,8) cũng tăng theo). Pic đặc trưng cho cấu trúc pha anatas của TiO2 với cường độ cao nhất là tại pic ở vị trí tại góc 2θ = 25,6, ở tất cả các mẫu TFG thì các pic này đều có chân pic rộng, điều này chứng tỏ các hạt oxit Fe-Ti ở các mẫu khảo sát đều có kích thước tương đối nhỏ. Kết quả tính toán (bảng 2) cho thấy, khi bổ sung thêm thành phần GNPs vào kích thước cỡ hạt giảm so với vật liệu tổ hợp TFG không có thành phần GNPs. Kích thước hạt giảm khi hàm lượng GNPs tăng, mẫu có kích thước cỡ hạt nhỏ nhất là mẫu có hàm lượng GNPs cao nhất trong các mẫu khảo sát (TFG40). Điều này có thể giải thích là do sự có mặt của GNPs đã giúp phân tách các hạt oxit Fe2O3, TiO2 và làm chất nền để phân tán các hạt tinh thể, do đó các hạt tinh thể của 2 oxit này tránh được sự kết tụ và do đó các mẫu TFG thu được có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn so với khi không có mặt của GNPs và hàm lượng GNPs tăng lên trong dải khảo sát, thì sự phân tách này càng tốt do đó kích thước cỡ hạt cũng giảm theo. Nhưng sự giảm kích thước này sẽ dừng lại khi đạt đến giới hạn của sự phân tách và khi hàm lượng GNPs tăng quá 40 mg, kích thước hạt gần như không có sự thay đổi. Bảng 2. Sự ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến kích thước cỡ hạt của vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs. STT Tên mẫu Vị trí pic đặc trưng có cường độ cao nhất (o) Độ rộng của pic tại nửa độ cao của pic cực đại (o) Kích thước trung bình (nm) 1 TFG10 25,68 0,49 16,4 2 TFG20 25,63 0,51 15,8 3 TFG30 25,53 0,59 13,6 4 TFG40 25,55 0,79 10,2 Sự ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến tính chất quang của vật liệu tổ hợp TiO2- Fe2O3/GNPs được nghiên cứu bằng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis trạng thái rắn (UV-DRS). Năng lượng vùng cấm của vật liệu được xác định thông qua đồ thị [F(R)hυ]1/2 áp dụng cho chuyển dịch không trực tiếp tương ứng với hàm Kubelka-Munk F(R) được định lượng thông qua sự hấp phụ phổ UV-VIS của vật liệu và giá trị năng lượng photon hυ = 1239/ở (eV) (trong đó ở là giá trị bước sóng (nm)). Năng lượng kích hoạt tương ứng với năng lượng vùng cấm (Ev) được xác định qua năng lượng photon hυ được ngoại suy từ phương trình F(R)hυ= 0. Để so sánh ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến độ rộng vùng cấm của vật liệu ta tiến hành so sánh phổ hấp phụ UV-VIS rắn các mẫu TFG với các hàm lượng GNPs thay đổi từ 10; 20; 30 và 40 mg tương ứng. Kết quả thể hiện trên hình 5. Có thể thấy năng lượng vùng cấm của TiO2-P25 là 3,2 eV nằm trong vùng UV nhưng năng lượng vùng cấm của TFG 10, TFG 20, TFG 40 chỉ nằm trong khoảng 2,6-2,9eV điều này chứng tỏ GNPs ít làm biến đổi độ rộng vùng cấm. Hàm lượng GNPs thay đổi từ 10 mg đến 40 mg nhưng độ rộng vùng cấm gần như không biến đổi. Để xác định ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến hoạt tính quang xúc tác, thực nghiệm xác định khả năng chuyển hóa Cr(VI) được tiến hành với nồng độ ban đầu là 10 mg/l, lượng xúc tác sử dụng là 1 g/l, pH của dung dịch là 2, lượng mẫu xử lý là 20 ml. Các xúc tác sử dụng để khảo sát là các mẫu TFG với hàm lượng GNPs khác nhau từ 0; 10; 20; 30 và 40 mg. Khả năng chuyển hóa Cr(VI) của các mẫu được thể hiện trên hình 6. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 343 Hình 5. Đường cong [F(R)hυ]1/2 của các mẫu vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs với hàm lượng GNPs khác nhau. Hình 6. Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng GNPs đến khả năng chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu TiO2-Fe2O3/GNPs. Quan sát trên hình 6 có thể thấy rằng, mẫu có hiệu quả xúc tác quang cao nhất là mẫu có hàm lượng graphen (20 mg). Khi hàm lượng graphen thấp (dưới 20 mg), hiệu quả khuếch tán electron kém, do đó, hiệu quả ngăn cản khả năng tái tổ hợp thấp, do đó, hiệu quả quang xúc tác không cao. Với các mẫu có hàm lượng graphen cao hơn, khả năng khuếch tán electron tăng lên, tuy nhiên, khi hàm lượng graphen vượt quá 20 mg, hoạt tính xúc tác quang suy giảm do hàm lượng TiO2 (thành phần chính tạo ra các electron và lỗ trống quang sinh) giảm và vì vậy, các mẫu TFG30 và TFG40 có hiệu quả quang khử Cr(VI) không cao bằng mẫu TFG20. Như vậy, hàm lượng GNPs trong vật liệu tổ hợp TFG có ảnh hưởng đến kích thước cỡ hạt trung bình của các tinh thể 2 oxit và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu, tuy nhiên, nó không làm ảnh hưởng đến giá trị năng lượng vùng cấm. Hiệu quả chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu TFG có thể là do khả năng lan truyền các hạt mang điện làm giảm khả năng tái tổ hợp của vật liệu (điều này sẽ được nghiên cứu kỹ hơn trong phần đánh gía quang phổ huỳnh quang của vật liệu). Hàm lượng GNPs tối ưu đưa vào trong quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp TFG là 20 mg. Hóa học – Sinh học – Môi trường T. N. Tuấn, , P. X. Thịnh, “Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu tổ hợp TiO2-Fe2O3/GNPs.” 344 3.4. Sự ảnh hưởng của độ pH dung dịch thủy nhiệt lên độ tinh thể, năng lượng vùng cấm và khả năng chuyển hóa Cr(VI) của vật liệu tổ hợp Sự ảnh hưởng của pH của dun