ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ HỢP CHẤT HỮU CƠ
DỄ BAY HƠI (VOCs) BẰNG VẬT LIỆU NANO XÚC TÁC
QUANG HÓA IRIDIUM BIẾN TÍNH TIO2
PGS. TS. Hồ Thị Thanh Vân 1

TĨM TẮT
Nghiên cứu đã tổng hợp và xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác quang kích thước nano mới
TiO2 biến tính Iridium với các tỷ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5% bằng phương pháp thủy nhiệt một
giai đoạn dùng dung môi nước và không sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt nào khác. Các kết quả phân tích
cho thấy, vật liệu Ir-doped TiO2 có cấu trúc hình thái nano kích thước khoảng 15 - 20 nm hình giống cubic,
pha anatase chiếm chủ yếu và diện tích bề mặt riêng đạt lớn hơn 150 m2/g, giá trị bandgap trong khoảng 2,4 2,7 eV so với undoped-TiO2 là 3,2 eV. Nghiên cứu cũng đã thiết kế hệ thống xử lý toluen/n-hexan bằng vật liệu
xúc tác quang mới nano Ir-doped TiO2 ở quy mơ phịng thí nghiệm và lắp đặt quy trình vận hành thử nghiệm
hệ thống, từ đó tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy toluen và n-hexan như: tỷ
lệ biến tính Ir, lưu lượng khí, nhiệt độ phản ứng, độ ẩm môi trường, độ bền xúc tác. Các kết quả này cao hơn
các nghiên cứu trong và ngoài nước về khả năng xử lý n-hexan và toluen của Ir-doped TiO2 do bandgap của
Ir-doped TiO2 sau khi biến tính bằng Ir giảm cịn 2.4 - 2.7 eV khá thấp, ngồi ra ion của kim loại biến tính Ir
ảnh hưởng lên độ hoạt hóa trong phản ứng quang của TiO2 bằng cách đóng vai trị như là “bẫy” electron hoặc
lỗ và thay đổi tốc độ tái tổ hợp e-/h+ (electron/lỗ trống) từ đó tăng hiệu suất xử lý và giảm khả năng tái tổ hợp
e-lỗ trống. Nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm khả năng xử lý VOCs của vật liệu xúc tác quang Ir-doped
TiO2 tại trạm xăng dầu và cho hiệu quả xử lý cao.
Từ khóa: Vật liệu xúc tác quang, hợp chất, TiO2.
Nhận bài: 15/5/2022; Sửa chữa: 27/5/2022; Duyệt đăng: 29/5/2022.
1. Giới thiệu
Trong xăng thương mại hiện nay chứa một số hợp
chất hữu cơ dễ bay hơi độc hại (chẳng hạn như n-hexan
hay toluen) có tác động bất lợi tới sức khỏe của con
người. Xăng thương mại là hỗn hợp của rất nhiều hợp
phần với các chức năng đặc trưng được kết hợp với
nhau nhằm tối ưu hóa cả chất lượng lẫn tính kinh tế
của sản phẩm. Về cơ bản, xăng thương mại bao gồm
xăng nền và chất phụ gia. Trong đó, xăng nền là hỗn

hợp phức tạp gồm các hydrocacbon có khoảng nhiệt
độ sơi từ 0 hoặc 30oC (tùy vùng khí hậu) đến khơng
q 200oC từ q trình lọc dầu. Tùy nguồn dầu sẵn có
và cơng nghệ của nhà máy, chúng chủ yếu bao gồm
hydrocacbon từ C5 - C10 và đơi khi có thêm butan. Chất
phụ gia bao gồm chất chống kích nổ, chất chống oxy
hóa, chất chống đóng băng và chất màu [1]. Ở Việt
Nam hiện nay có hai loại xăng phổ biến trên thị trường
là xăng khơng chì RON 92 và RON 95. Theo Quy chuẩn
Quốc gia QCVN 1:2015/BKHCN về xăng, các loại xăng
lưu hành trên thị trường cần đáp ứng các chỉ tiêu chất
1

Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh

84

Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022

lượng, nhất là chỉ tiêu liên quan đến các hợp chất dễ
bay hơi độc hại. Ngồi ra, dựa trên những thí nghiệm
trên động vật, Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế đã
xếp xăng dầu vào nhóm 2B, nhóm có khả năng gây ung
thư cho con người. 
Đặc biệt, chỉ số octan (RON) được xem là một
thước đo quyết định chất lượng nhiên liệu. Trên thực
tế, để cải thiện chỉ số octan của xăng dầu, các chất phụ
gia “tăng cường octan” (điển hình như toluen) thường
được thêm vào hỗn hợp xăng. Thông thường, chỉ cần
một lượng tương đối nhỏ toluen được thêm vào xăng

dầu sẽ làm tăng đáng kế chỉ số octan của nhiên liệu.
Nồng độ toluen thấp nhất con người có thể cảm nhận
trong khơng khí là 0,64 đến 139 mg/m3 [2]. Ngưỡng
mùi trong nước là 0,024 - 0,17 mg/lít. Ngưỡng có thể
cảm nhận được mùi vị là 0,04 đến 0,12 mg/lít [3]. Bên
cạnh đó, n-hexan cũng được sử dụng rộng rãi làm
dung mơi, pha lỗng sơn hay làm mơi trường phản
ứng polymer hóa [4]. Trong xăng thương mại, sự xuất
hiện của n-hexan chủ yếu là do dư lượng n-hexan trong


TRAO ĐỔI - THẢO LUẬN

xăng nền từ phân đoạn naptha nhẹ trong quá trình lọcchưng dầu [5]. Theo các kết quả thống kê, quá trình
bay hơi của n-hexan và toluen tại các trạm cung cấp
xăng dầu tương đối lớn so với q trình phát thải của
một số ngành cơng nghiệp có sử dụng đến n-hexan và
toluen. Năm 2008, nhóm nghiên cứu của Isabel [6] đã
tiến hành nghiên cứu về khả năng bay hơi và khuyếch
tán của n-hexan từ trạm xăng dầu La Fica ở thành
phố Murcia ra các khu vực xung quanh. Kết quả cho
thấy rằng lượng n-hexan phát thải có thể đạt giá trị lên
đến ~100 µg/m3 và có thể khuyếch tán ra xung quanh
trong bán kính 100 m. Nhóm nghiên cứu của Farhad
Esmaelnejad và cộng sự [7] tiến hành khảo sát nồng độ
của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như benzen, toluen,
ethylbenzen, xylen vào mùa hè và mùa đơng tại 10 trạm
nhiên liệu (2 trạm khí đốt tự nhiên và 8 trạm xăng dầu)
và các điểm cách nhau 50, 150 và 250 nm tại Iran vào
năm 2013. Kết quả khảo sát cho thấy lượng hợp chất

hữu cơ độc hại phát thải vào khơng khí vào mùa hè cao
hơn đáng kể so với mùa đông. Điều này có thể được
giải thích do nhiệt độ cao vào mùa hè dẫn tới khả năng
khuyếch tán dễ dàng hơn của các hợp chất dễ bay hơi
độc hại vào khơng khí so với mùa đông.
Những năm gần đây, việc sử dụng vật liệu xúc tác
quang được xem như phương pháp thay thế tiềm năng
do một số ưu điểm nhất định như có thể xử lý đồng thời
hỗn hợp các chất ơ nhiễm khác nhau, hiệu suất phân
hủy cao, dễ vận hành và bảo trì, tiết kiệm năng lượng để
phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, do đó có thể
cải thiện được chất lượng khơng khí. Từ tổng quan tình
hình nghiên cứu trong và ngồi nước, vật liệu xúc tác
quang M-doped TiO2 chủ yếu được sử dụng để xử lý
các chất khí như aceton, ethylbenzen, xylen. Ngồi ra,
hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi của vật
liệu xúc tác quang M-doped TiO2 còn tương đối thấp
do năng lượng vùng cấm sau khi doped không giảm
đáng kể (Eg < 3.0 eV) so với vật liệu xúc tác quang hóa
truyền thống TiO2 (Eg ~ 3.20 eV) và diện tích bề mặt
riêng tương đối thấp (< 100 m2/g) do sử dụng phương
pháp sol-gel kết hợp với xử lý nhiệt tại nhiệt độ cao (>
500oC). Hiện nay, việc tổng hợp vật liệu xúc tác quang
M-doped TiO2 để xử lý các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn
như n-hexan hoặc toluen, trong môi trường ô nhiễm
thực tế vẫn chưa hoặc có rất ít nghiên cứu.
Trong nghiên cứu này, chúng tơi tiếp cận để giải
quyết các vấn đề còn tồn tại đã nêu trên của vật liệu xúc
tác quang TiO2 cũng như kế thừa và phát triển những
kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời

gian qua bằng việc tổng hợp vật liệu nano cấu trúc mới
Ir-doped TiO2 ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang
hiệu quả để phân hủy các hợp chất n-hexan và toluen
mà chưa được nghiên cứu trước đây. Vật liệu xúc tác
quang TiO2 được lựa chọn vì nó được sử dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực do độ bền cao, giá thành rẻ và

không độc hại. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm tương
đối lớn (> 3.20 eV) và khả năng hấp phụ kém ánh sáng
nhìn thấy là những hạn chế của vật liệu TiO2. Vì thế,
việc doping nguyên tố thứ hai vào cấu trúc TiO2 được
xem như phương pháp hiệu quả để giải quyết các hạn
chế trên. Kim loại Iridi (Ir) được biết như một xúc tác
hiệu quả do cấu trúc điện tử và khả năng phản ứng tốt
từ vùng tia cực tím tới ánh sáng khả kiến. Do đó, sau
khi doping kim loại Ir vào cấu trúc TiO2 thì band-gap
có thể giảm hơn 25% so với band-gap của vật liệu xúc
tác quang TiO2. Hơn nữa, trong số các kim loại thuộc
nhóm Pt, Ir có một số tính chất độc đáo khơng được
tìm thấy trong những kim loại chuyển tiếp.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác quang nano
Vật liệu Ir-doped TiO2 được tổng hợp bằng phương
pháp thủy nhiệt một giai đoạn, không sử dụng thêm
bất kì chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định nào theo
như quy trình được trình bày trong nghiên cứu trước
của tác giả At Van Nguyen và cộng sự [8]. Đầu tiên,
một lượng muối tương ứng với các tỉ lệ 0,5%; 1,0% và
1,5% IrCl3.xH2O được hòa tan vào 50 ml nước cất và
khuấy trên bếp từ, gia nhiệt đến 70oC trong 30 - 40 phút

đến khi lượng muối tan hoàn toàn. Do TiCl4 dễ bị thủy
phân ngay tại nhiệt độ thường nên cần điều chỉnh pH
thấp để hạn chế thủy phân bằng dung dịch acid HCl.
Cho dung dịch đã được chỉnh pH vào chậu đá làm
lạnh trong 20 phút. Sau khi đã được làm lạnh, dùng
micropipet nhỏ vào dung dịch 220 μL TiCl4. Mẫu dung
dịch sau đó được chuyển vào autoclave bọc teflon, vỏ
làm bằng thép không gỉ, có bề dày chịu được áp suất
lớn. Phản ứng thủy nhiệt xảy ra tại nhiệt độ ToC và thời
gian t (giờ) khảo sát, sau đó để nguội trong khơng khí ở
nhiệt độ phịng. Sau phản ứng, huyền phù được ly tâm,
lọc lấy chất rắn và rửa nhiều lần với nước cất đến khi
pH trung hòa (khoảng 5 - 6 lần). Sau đó, kết tủa được
sấy ở 80oC rồi nghiền mịn để tạo mẫu xúc tác mong
muốn. Các mẫu sau khi tổng hợp xong được cho vào
các lọ thủy tinh chứa mẫu được đánh dấu kí hiệu mẫu
riêng biệt.
2.2. Xây dựng hệ thống xử lý khí trong phịng thí
nghiệm

1 - Nắp cao su; 2 - Bông thủy tinh; 3 - Silicagel; 4 Than hoạt tính; 5 - Đèn cồn; 6 - Giọt mẫu; 7 - Ống thủy
tinh; 8 - Quạt tản nhiệt; 9 - Túi chứa khí mẫu vào; 10
- Ống chứa xúc tác; 11 - Vật liệu xúc tác; 12 - Đèn UV;
13 - Túi chứa khí mẫu ra.
Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022

85


P1: Bơm khơng khí vào; P2: Bơm hút khí ra; F1: Lưu

lượng kế khí vào; F2: Lưu lượng kế khí đi qua vật liệu
xúc tác.
3. Kết quả và bàn luận
Kết quả Nghiên cứu cho thấy vật liệu xúc tác quang
kích thước nano mới TiO2 biến tính Iridium với các tỷ
lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5% bằng phương
pháp thủy nhiệt một giai đoạn dùng dung môi nước và
không sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt nào khác.
Nghiên cứu cũng tiến hành khảo sát và tìm ra được
điều kiện tổng hợp vật liệu Ir-doped TiO2 tối ưu là tại
pH = 1,5, nhiệt độ 210oC trong thời gian 8 giờ. Vật liệu
xúc tác được phân tích về cấu trúc, hình dạng, tính chất
quang của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 với các
tỷ lệ Iridium lần lượt là 0,5%; 1,0% và 1,5%.
Các kết quả phân tích cho thấy, vật liệu Ir-doped
TiO2 có cấu trúc hình thái nano kích thước khoảng
15 - 20 nm hình giống cubic, pha anatase chiếm chủ
yếu và diện tích bề mặt riêng đạt lớn hơn 150 m2/g, giá
trị bandgap trong khoảng 2,4 - 2,7 eV so với undopedTiO2 là 3,2 eV. Nghiên cứu cũng đã thiết kế hệ thống
xử lý toluen/n-hexan bằng vật liệu xúc tác quang mới
nano Ir-doped TiO2 ở quy mơ phịng thí nghiệm và
lắp đặt quy trình vận hành thử nghiệm hệ thống, từ đó
tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất
phân hủy toluen và n-hexan như: tỷ lệ biến tính Ir, lưu
lượng khí, nhiệt độ phản ứng, độ ẩm môi trường, độ
bền xúc tác.
Kết quả so sánh chỉ ra, vật liệu xúc tác quang Irdoped TiO2 trong nghiên cứu này có hiệu suất xử lý
toluen và n-hexan cao hơn các nghiên cứu trước đó
đặc biệt là đối với toluen đạt đến gần 98% cao hơn các
nghiên cứu trước đó. Kết quả sau khi thực hiện thí

nghiệm và xác định nồng độ toluen trong mẫu bằng
phương pháp sắc kí khí cho thấy, điều kiện tối ưu cho
phản ứng phân hủy toluen là xúc tác Ir-doped TiO2 với
tỷ lệ 1,5% Iridium, lưu lượng khí thổi qua xúc tác là
350 mL/phút và độ ẩm tương đối 70% cho hiệu suất
phân hủy cao đạt gần 98%; đối với phản ứng phân hủy
n-hexan là xúc tác 0,5% Ir-doped TiO2, lưu lượng khí
thổi qua xúc tác là 350 mL/phút cho hiệu suất phân hủy
đạt hơn 60%.

Các kết quả này cao hơn các nghiên cứu trong và
ngoài nước về khả năng xử lý n-hexan và toluen của
Ir-doped TiO2 do bandgap của Ir-doped TiO2 sau khi
biến tính bằng Ir giảm cịn 2.4 - 2.7 eV khá thấp, ngồi
ra ion của kim loại biến tính Ir ảnh hưởng lên độ hoạt
hóa trong phản ứng quang của TiO2 bằng cách đóng
vai trị như là “bẫy” electron hoặc lỗ và thay đổi tốc độ
tái tổ hợp e-/h+ (electron/lỗ trống) từ đó tăng hiệu suất
xử lý và giảm khả năng tái tổ hợp e-lỗ trống (Hình 1).

▲Hình 2. Kết quả thử nghiệm khả năng xử lý VOCs của vật
liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2 tại trạm xăng dầu với 4 chỉ
tiêu toluen, n-hexan, benzene và IPA
Nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm khả năng
xử lý VOCs của vật liệu xúc tác quang Ir-doped TiO2
tại trạm xăng dầu. Kết quả phân tích cho thấy, có 4 chỉ
tiêu toluen, n-hexan, benzene và IPA trong mẫu thực
tế tại trạm xăng dầu. Sau khi qua hệ thống xử lý bằng
xúc tác quang Ir-doped TiO2 thì hiệu quả xử lý toluen
trung bình đạt gần 80% và hiệu quả xử lý n-hexan hơn

50% cho mẫu xử lý thật, kết quả này phù hợp với kết
quả xử lý mẫu tinh khiết toluen và n-hexan. Đối với chỉ
tiêu benzene và IPA, kết quả phân tích cho thấy hiệu
suất xử lý đạt trung bình khoảng 70% khi qua hệ thống
xử lý xúc tác quang Ir-doped TiO2. Các mẫu khí ngồi
trạm xăng sau khi qua xử lý 4 chỉ tiêu toluen, n-hexan,
benzene và IPA đều đạt tiêu chuẩn QCVN 19:2009/
BTNMT (Hình 2).
4. Kết luận

▲Hình 1. Cơ chế đề xuất phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại
sử dụng vật liệu xúc tác quang kích thước nano Ir-doped TiO2

86

Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022

Nghiên cứu mang tính thực tiễn rất cao và cấp bách
trong thực trạng ơ nhiễm khí VOVs, ô nhiễm môi
trường ngày càng nghiêm trọng. Những kết quả trên
cho thấy, vật liệu xúc tác quang kích thước nano mới


TRAO ĐỔI - THẢO LUẬN

TiO2 biến tính Iridium là một xúc tác tiềm năng và có
thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý các hợp chất hữu cơ
dễ bay hơi độc hại toluen và n-hexan nói riêng và các
hợp chất VOCs nói chung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Chương trình Khơng khí sạch Việt Nam - Thụy Sỹ, 2007.
2.Fujishima, A., & Honda, K. (1972). Electrochemical
photolysis
of
water
at
a
semiconductor
electrode. nature, 238(5358), 37 - 38.
3. Jenny Schneider, Masaya Matsuoka, Masato Takeuchi,
Jinlong Zhang, Yu Horiuchi, Masakazu Anpo and Detlef W.
Bahnemann (2014). Understanding TiO2 photocatalysis:
mechanisms and materials.  Chemical reviews,  114(19),
9919 - 9986.
4. Stephen, Tiruchirappalli, Tamil Nadu (2020). Titanium
dioxide versatile solid crystalline: An overview.  Assorted
Dimensional Reconfigurable Materials.
5. Ollis, D. F. (2000). Photocatalytic purification and remediation
of contaminated air and water. Comptes Rendus de l'Académie
des Sciences-Series IIC-Chemistry, 3(6), 405 - 411.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu được hỗ trợ từ đề tài NCKH
cấp Sở Khoa học cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh (2019/
HÐ-QPTKHCN) và các cộng sự PGS.TS Nguyễn
Trường Sơn, Nguyễn Thị Thanh Ngân, Châu Hùng
Dũng■
6. Jinhan Mo, Yinping Zhang, Qiujian Xu, Jennifer Joaquin
Lamson, Rongyi Zhao (2009). Photocatalytic purification
of volatile organic compounds in indoor air: A literature
review. Atmospheric environment, 43(14), 2229 - 2246.

7. Wonyong Choi, Andreas Termin, and Michael R. Hoffmann
(2002). The role of metal ion dopants in quantum-sized
TiO2: correlation between photoreactivity and charge
carrier recombination dynamics.  The Journal of Physical
Chemistry, 98(51), 13669 - 13679.
8. Van Nguyen, Tai Thien Huynh, Hau Quoc Pham, Vi
Thuy Thi Phan, Son Truong Nguyen, Van Thi Thanh Ho
(2019). Novel nanorod Ti0,7Ir0,3O2 prepared by facile
hydrothermal process: A promising non-carbon support for
Pt in PEMFCs. International Journal of Hydrogen Energy,
44(4), 2361 - 2371.

EVALUATION OF THE ABILITY TO TREAT VOLATILE ORGANIC
COMPOUNDS (VOCs) BY TIO2 DENATURED IRIDIUM
PHOTOCATALYST NANOMATERIALS
Assoc. Prof. Dr. Ho Thi Thanh Van
Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment
ABSTRACT
The research has synthesized and developed a process to synthesize new TiO2 denatured Iridium nanoscale
photocatalyst materials with Iridium ratios of 0.5%; 1.0% and 1.5% respectively by single-stage hydrothermal
method using water solvent and no other surfactants were added.
The analytical results show that the Ir-doped TiO2 material has a nanomorphological structure of about 15
- 20 nm in the shape of a cubic shape, the anatase phase dominates and the specific surface area is greater than
150 m2/g with the bandgap values ​​in the range of 2.4 - 2.7 eV compared to undoped-TiO2 of 3.2 eV.
The research also designed a toluen/n-hexane treatment system with a new nano Ir-doped TiO2 photocatalyst
material at a laboratory scale and set up a pilot operating procedure for the system, from which to conduct a
survey of the factors affecting the decomposition efficiency of toluene and n-hexane such as: Ir denaturation
rate, gas flow rate, reaction temperature, environmental humidity, and catalyst stability.
These results are higher than domestic and foreign researches on the ability to treat n-hexan and toluen
of Ir-doped TiO2 because the bandgap of Ir-doped TiO2 after Ir-denaturation decreases to 2.4 - 2.7 eV, which

is quite low. In addition, the ion of the Ir denatured metal affects the photoreactivity of TiO2 by acting as
an electron "trap" or hole and changing the rate of e-/h+ (electron/hole) recombination thereby increasing
treatment efficiency and reducing the possibility of e-hole recombination. The research also tested the ability
to treat VOCs of Ir-doped TiO2 photocatalysts at petrol stations and gave high treatment efficiency.
Key words: Photocatalyst materials, compounds, TiO2.

Chuyên đề II, tháng 6 năm 2022

87