ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC Fe2TiO5
CHO PHẢN ỨNG QUANG HÓA PHÂN HỦY ACID CINNAMIC

SVTH: ĐINH THÀNH THUNG
MSSV: 1513349
GVHD: TS. NGUYỄN TRÍ

Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng em và không trùng lặp với
bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu thí nghiệm là trung thực, một số kết
quả trong luận văn là số liệu chung của nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS.
Nguyễn Trí, Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2020.
Sinh viên thực hiện

Đinh Thành Thung


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt bốn năm học tập và nghiên cứu khoa học tại Trường Đại học Bách
Khoa Hồ Chí Minh, em được tiếp thu nhiều kiến thức quý báu và trưởng thành lên rất

nhiều. Môi trường đại học đã giúp em ngày càng hoàn thiện cả về mặt tri thức lẫn con
người. Đó là những năm tháng đẹp nhất của tuổi trẻ, là những kỷ niệm vui vẻ nhất của
tuổi thanh xuân, em sẽ khắc sâu và nhớ mãi trong tim! Khóa luận tốt nghiệp là đích đến
vinh quang trong suốt hành trình nỗ lực học tập và nghiên cứu của sinh viên, nhưng
đồng thời chính là giây phút kết thúc những ngày tháng vô tư, hồn nhiên của tuổi trẻ.
Để rồi, nhìn lại tất cả, em đành ngậm ngùi nói lời chia tay với mái trường thân yêu, tạm
biệt bạn bè dấu yêu với những buổi cùng nhau đến trường. Cuối cùng ai rồi cũng phải
chia xa, mỗi người sẽ bước vào cuộc sống mới để gây dựng sự nghiệp, hạnh phúc của
riêng mình. Tất cả, những ngày tháng đẹp đẽ thời áo trắng, hãy xem như là một hoài
niệm đẹp lưu dấu mãi trong tim. Vì vậy, thông qua luận văn tốt nghiệp, em xin gửi lời
biết ơn sâu sắc đến những người bạn, những người thầy và những người thân yêu nhất
đã luôn đồng hành cùng em trên suốt chặng đường sinh viên tươi đẹp này.
Lời đầu tiên, với sự kính mến và lòng đầy ngưỡng mộ, em xin gửi lời biết ơn sâu
sắc đến Thầy Phan Thanh Sơn Nam, một người thầy vĩ đại hết lòng vì sinh viên, là tia
sáng khoa học dẫn lối cho thế hệ trẻ. Thầy là thần tượng trong em trên con đường học
vấn và nghiên cứu khoa học, là tấm gương sáng giúp em không ngừng nỗ lực noi theo.
Em đã cố gắng và phấn đấu rất nhiều trong suốt quá trình học tập để đạt kết quả tốt tất
cả các môn. Và hơn thế cả, em đã miệt mài nâng cao kiến thức chuyên môn, mở rộng tri
thức khoa học để có thể thực hiện nghiên cứu khoa học và hoàn thành tốt luận văn tốt
nghiệp này.
Tiếp theo, với tấm lòng kính trọng và biết ơn chân thành, em xin thể hiện lời cảm
ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Trí, một người thầy mẫu mực, tận tụy hết lòng vì sinh viên.
Thầy đã luôn quan sát, dõi theo em từng ngày để nhắc nhở, dạy bảo giúp cho em rèn
luyện tinh thần làm việc và thói quen kỷ luật. Nhờ đó, em có thể hoàn thành nhiệm vụ
nghiên cứu và tự tin bảo vệ luận văn tốt nghiệp này.
Bên cạnh đó, em cũng xin bày tỏ tấm lòng quý mến sâu sắc tới Th.S Nguyễn Phụng
Anh và N.CS Nguyễn Điền Trung, là hai người thầy hết lòng nhiệt tình, tận tâm vì “ tụi
nhỏ”. Hai thầy cũng chính là hai người anh có tấm lòng hòa đồng, rộng lượng, luôn luôn



cởi mở, dẫn lối cho đàn em sinh viên theo sau. Trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu ở Viện Hóa học, các anh đã luôn dõi theo, dẫn dắt, định hướng cho em từng ngày,
ngay từ những bước tập tễnh đầu tiên cho đến khi hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Ngoài ra, em xin tỏ lòng ghi nhớ đến quý Thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hóa dầu cùng
với tất cả các Thầy cô khoa Hóa và toàn thể giảng viên, cán bộ Trường Đại học Bách
Khoa Hồ Chí Minh, đã trang bị những kiến thức nền tảng, cốt lõi vững chắc, tạo điều
kiện thuận lợi cho em có thể thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Và lời cuối cùng, với tấm lòng biết ơn sâu nặng, con xin khắc ghi công ơn bao la của
cha mẹ. Người đã sinh thành, nuôi dưỡng giáo dục con nên người. Cha mẹ đã luôn tin
yêu, ủng hộ và đồng hành cùng con trên suốt quãng đời ấu thơ và cả con đường học vấn.
Người đã mang đến cho con niềm tin, nghị lực và cả ước mơ cuộc sống giúp cho con tự
tin, vững chãi khám phá, học hỏi trên hành trình tuyệt vời của cuộc đời!
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 07 năm 2020.
Sinh viên thực hiện

Đinh Thành Thung


MỤC LỤC
GIỚI THIỆU .....................................................................................................................i
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................... ii
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................................... ii
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ...................................................................................1

1.1. ACID CINNAMIC……………………………………………………………...1
1.1.1. Cấu tạo, tính chất của acid cinnamic . ............................................................1
1.1.2. Tác động của acid cinnamic tới môi trường ...................................................2

1.1.3. Các phương pháp xử lý acid cinnamic ...........................................................3
1.2. PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG VÀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Fe2TiO5............ 8
1.2.1. Đặc điểm phản ứng xúc tác quang ..................................................................8
1.2.2. Nguyên lý phản ứng xúc tác quang ................................................................ 8
1.2.3. Vật liệu bán dẫn Fe2TiO5 ..............................................................................10
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG ................... 13
1.3.1. Bản chất của xúc tác .....................................................................................13
1.3.2. Môi trường phản ứng quang hóa ..................................................................15
CHƯƠNG 2

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................19

2.1. ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC………………………………………………………… 19
2.1.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ......................................................19
2.1.2. Quy trình điều chế xúc tác ............................................................................19
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT LÝ- HÓA XÚC TÁC ... 22
2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA). ..................................................22
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................. 22
2.2.3. Phổ Raman ....................................................................................................24
2.2.4. Phổ hồng ngoại biến đổi Frourier (FT-IR)……………………………….. . 25
2.2.5. Hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................................................26
2.2.6. Đẳng nhiệt hấp phụ – khử hấp phụ nitơ (BET) ............................................27
2.2.7. Phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis ) ............................................................... 30
2.2.8. Xác định điểm đẳng điện (PZC)...................................................................31
2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC TRONG PHẢN ỨNG QUANG HÓA
PHÂN HỦY ACID CINNAMIC…………………………………………………...32
2.3.1. Hệ thống phản ứng........................................................................................32
2.3.2. Quy trình thí nghiệm .....................................................................................33



CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...........................................................38

3.1. GIẢN ĐỒ PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA-DTA) ................................................... 38
3.2. CÁC TÍNH CHẤT LÝ – HÓA CỦA XÚC TÁC ............................................... 39
3.2.1. Phổ XRD .......................................................................................................39
3.2.2. Phổ Raman ....................................................................................................42
3.2.3. Phổ FT-IR .....................................................................................................44
3.2.4. Ảnh SEM ......................................................................................................43
3.2.5. Phân tích BET ............................................................................................... 45
3.2.6. Phổ UV-Vis ..................................................................................................46
3.2.7. Điểm đẳng điện ............................................................................................. 48
3.3. HOẠT TÍNH CỦA XÚC TÁC TRONG PHẢN ỨNG QUANG HÓA PHÂN
HỦY ACID CINNAMIC…………………………………………………………... 49
3.3.1. Hoạt tính quang phân hủy acid cinnamic với tác nhân O2 ...........................49
3.3.2. Hoạt tính quang phân hủy acid cinnamic với tác nhân H2O2 .......................53
CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...........................................................63

4.1. KẾT LUẬN……………………………………………………………………. 63
4.2. ĐỀ XUẤT……………………………………………………………………... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................64


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo phân tử acid cinnamic. ........................................................................1
Hình 1.2 Cơ chế quá trình quang oxy hóa dưới năng lượng ánh sáng. ...........................9
Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể Fe2TiO5 trong không gian ba chiều. ...................................10

Hình 2.1 Sơ đồ điều chế xúc tác Fe2TiO5 bằng phương pháp sol-gel ...........................21
Hình 2.2 Sơ đồ phản xạ tia X trên mạng tinh thể. .........................................................23
Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(P0 – P)] theo P/P0. ...........................29
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống phản ứng ..............................................32
Hình 2.5 Độ hấp thụ của dung dịch acid cinnamic theo nồng độ..................................37
Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt của xúc tác Fe2TiO5 (DTA-TGA) ............................38
Hình 3.2 Phổ XRD của các xúc tác Fe2TiO5 theo nhiệt độ nung khác nhau .................39
Hình 3.3 Phổ XRD của xúc tác TiO2 dạng rutile, anatasese và Fe2TiO5 dạng chuẩn ...40
Hình 3.4 Phổ XRD của các xúc tác Fe2TiO5 theo thời gian nung khác nhau ...............41
Hình 3.5 Phổ Raman của xúc tác Fe2TiO5 ....................................................................42
Hình 3.6 Phổ FT-IR của xúc tác Fe2TiO5 ......................................................................45
Hình 3.7 Ảnh SEM của xúc tác Fe2TiO5 .......................................................................44
Hình 3.8 Phổ UV-Vis của xúc tác Fe2TiO5 ...................................................................46
Hình 3.9 Năng lượng vùng cấm của xúc tác Fe2TiO5 ...................................................47
Hình 3.10 Đồ thị xác định giá trị điểm đẳng điện của Fe2TiO5 ....................................48
Hình 3.11 Độ chuyển hóa dung dịch acid cinnamic ở các nhiệt độ nung xúc tác.........50
Hình 3.12 Độ chuyển hóa dung dịch acid cinnamic ở các thời gian nung xúc tác .......52
Hình 3.13 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến độ chuyển hóa dung dịch acid cinnamic .....54
Hình 3.14 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến độ chuyển hóa dung dịch acid cinamic 57
Hình 3.15 Ảnh hưởng pH đầu dung dịch đến độ chuyển hóa dung dịch acid cinamic. 60


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất vật lý đặc trưng của acid cinnamic. .................................................1
Bảng 1.2 Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa thường gặp. ...................................5
Bảng 1.3 Các quá trình AOPs tối. ...................................................................................6
Bảng 1.4 Các quá trình AOPs sáng. ................................................................................6
Bảng 1.5 Cơ chế phản ứng với gốc tự do hydroxyl.........................................................7
Bảng 1.6 Cấu trúc mạng tinh thể của Fe2TiO5. ............................................................. 11
Bảng 2.1 Hóa chất thí nghiệm .......................................................................................19

Bảng 2.2 Dãy chuẩn biễu diễn độ hấp thu theo nồng độ của dung dịch acid cinnamic 37
Bảng 3.1 Kết quả phân tích diện tích bề mặt riêng của xúc tác Fe2TiO5 ......................45
Bảng 3.2 Khảo sát hoạt tính quang của xúc tác Fe2TiO5 trong thời gian 2h ở các nhiệt
độ nung khác nhau (Cxt = 0,75 g/l; Q = 0,3 l/ph; pH = 3,8; T = 25 °C) ........................49
Bảng 3.3 Khảo sát hoạt tính quang của xúc tác Fe2TiO5 nung ở 700 oC tại các thời gian
nung khác nhau (Cxt = 0,75 g/l; Q = 0,3 l/ph; pH = 3,8; T = 25 °C) ............................. 51
Bảng 3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến hoạt tính quang xúc tác trong phản
ứng phân hủy acid cinnamic (Cxt = 0,75 g/l); Q = 0,3 l/ph; pH = 3,8; T = 25 °C) ........53
Bảng 3.5 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến hoạt tính quang xúc tác trong
phản ứng phân hủy acid cinnamic (CH2O2 = 30 mM; Q = 0,3 l/ph; pH = 3,8; T = 25 °C)
.......................................................................................................................................56
Bảng 3.6 Khảo sát ảnh hưởng pH đầu đến hoạt tính quang xúc tác trong phản ứng phân
hủy acid cinnamic (Cxt = 0,75 g/l); CH2O2 = 30 mM; Q = 0,3 l/ph;T = 25 °C) ..............59


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tiếng anh

Tiếng việt

Eg

Band gap energy

Năng lượng vùng cấm

AOPs


Advanced Oxydation Process

Quá trình oxy hóa nâng cao

XRD

X–ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

FT-IR

Fourier transform infrared
spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

SEM

Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

DTA

Differential thermal analysis

Phân tích nhiệt vi sai

TGA


Thermogravimetric analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

UV-Vis

Ultraviolet–Visible

Tử ngoại –khả kiến


GIỚI THIỆU
Với lợi thế là một nước có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, địa hình thổ nhưỡng rộng
lớn cùng với mạng lưới sông ngoài dày đặc, Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi
để phát triển ngành trồng trọt và chế biến lương thực thực phẩm. Theo báo cáo của Bộ
Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, trong những năm gần đây việc xuất khẩu nông
sản nước ta sang các thị trường quốc tế đang có xu hướng tăng trưởng mạnh, vào năm
2019, kim ngạch xuất khẩu nông sản đạt 43 tỷ USD, tăng trưởng GDP ngành 3,0 % [1].
Vì vậy, tốc độ mở rộng diện tích sản xuất và phát triển các cơ sở chế biến nông sản ngày
càng tăng mạnh cả về quy mô lẫn số lượng nhằm nhanh chóng đáp ứng nhu cầu của thị
trường trong và ngoài nước. Song song, với sự việc phát triển kinh tế là các hệ lụy về
môi trường, hằng năm ngành chế biến nông sản thải ra môi trường hàng triệu khối nước
thải ô nhiễm. Trong nước thải chế biến thực phẩm chứa nhiều hợp chất hữu cơ độc hại,
khó phân hủy, trong đó có nhiều thành phần của các hợp chất phenolic như: Acid
benzoic, dẫn xuất tyrosol và điển hình nhất là acid cinnamic. Theo kết quả phân tích của
một số tài liệu, nồng độ acid cinnamic ở một số nhà máy chế biến dầu ô liu lên đến 10
g/l, vượt nhiều lần so với chỉ tiêu cho phép [2]. Sau khi thải ra môi trường, acid cinnamic
phá hủy màng tế bào cơ thể vi sinh vật trong nước, đồng thời gây ức chế sự phát triển
của nhiều loài vi khuẩn làm mất cân bằng hệ sinh thái. Bên cạnh đó, khi tích lũy với

hàm lượng cao acid cinnamic làm thóai hóa đất, hạn chế sự phát triển cây trồng, gây
giảm năng suất và chất lượng sản phẩm, mang đến thiệt hại to lớn trong ngành nông
nghiệp [3]. Trong các nghiên cứu trước đây, acid cinnamic được xử lý bằng các phương
pháp xử lý sinh học, công nghệ oxy hóa ướt không xúc tác và quang xúc tác dưới ánh
sáng mặt trời [4]. Mặc dù, chi phí xử lý cao, tốn nhiều thời gian, nhưng các phương pháp
này vẫn không loại bỏ được triệt để được các hợp chất phenolic trong nước thải. Hiện
nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu một giải pháp có nhiều triển vọng và đầy tiềm
năng trong quá trình phân hủy các hợp chất phenolic đó là các phương pháp oxy hóa
nâng cao (AOPs). Phương pháp này có những ưu điểm là có thể thực hiện ở điều kiện
môi trường tự nhiên, dễ sử dụng, ít độc hại và có hiệu quả cao. Một vài công trình nghiên
cứu xử lý acid cinnamic bằng phương pháp oxy hóa nâng cao như quá trình ozon hóa
xúc tác, phản ứng Fenton Cu2+/ H2O2, Fe2+/ H2O2 hoặc Fe2+/ H2O2 kết hợp UV, kết quả
đã giảm đáng kể nồng độ acid cinnamic, nâng cao hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu
i


cơ độc hại trong nước thải. Tiếp nối sự thành công của các tác giả, trong khóa luận tốt
nghiệp này, xúc tác Fe2TiO5 được nghiên cứu điều chế cho phản ứng quang oxy hóa để
khảo sát sự phân hủy acid cinnamic. Đề tài nghiên cứu nhằm đưa ra điều kiện tối ưu
nâng cao hiệu quả xử lý acid cinnamic trong nước, đồng thời tạo tiền đề mở rộng các
công trình nghiên cứu sâu hơn để ứng dụng vào thực tế xây dựng công nghệ xử lý nước
thải ô nhiễm, bảo vệ hệ sinh thái, hướng tới mục tiêu Phát triển Bền vững.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU


Điều chế xúc tác Fe2TiO5 bằng phương pháp sol – gel.



Nghiên cứu điều kiện tối ưu cho phản ứng quang hóa phân hủy acid cinnamic.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu điều chế xúc tác Fe2TiO5 bằng phương pháp sol – gel.
 Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái học và các tính chất lý hoá của xúc tác bằng
các phương pháp hiện đại như: XRD, Raman, FT-IR, SEM, BET, UV-Vis.
 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng như pH dung dịch đầu, nồng độ H2O2, nồng đô ̣xúc
tác trong phản ứng quang hóa oxy hóa phân hủy acid cinnamic. Từ đó xác định các điều
kiện phản ứng tối ưu.

ii


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. ACID CINNAMIC
1.1.1. Cấu tạo, tính chất của acid cinnamic [5]
Acid cinnamic là một cacboxylic acid không bão hòa, thuộc họ phenolic, có công
thức hóa học C6H5CH=CHCOOH. Trong tự nhiên, acid cinnamic tồn tại chủ yếu dưới
dạng đồng phân trans.

Hình 1.1 Cấu tạo phân tử acid cinnamic.
Ở điều kiện thông thường, acid cinnamic tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng, ít tan
trong nước, dễ tan trong dung môi hữu cơ. Các tính chất vật lý đặc trưng cho acid
cinnamic thể hiện bảng 1.1.
Bảng 1.1 Tính chất vật lý đặc trưng của acid cinnamic.
Công thức phân tử

C9H8O2


Phân tử khối (g/mol)

148,161

Khối lượng riêng (g/cm3)

1,2475

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

133

Nhiệt độ sôi (oC)

300

Độ tan trong nước (mg/l

500

Hằng số phân ly (pKa)

4.44

Độ âm điện (cm3/mol)

-7.836×10-5

Điểm chớp cháy (oC)


100
1


Về tính chất hóa học, acid cinnamic là một chất hữu cơ ổn định với các phản ứng
quang phân, trơ với oxy trong không khí. Trong điều kiên tự nhiên, acid cinnamic rất
khó phân hủy, tồn tại bền vững trong môi trường, với thời gian bán phân hủy lâu năm.
1.1.2. Tác động của acid cinnamic tới môi trường
Trong tự nhiên, acid cinnamic là một hợp chất tự do tồn tại với hàm lượng cao ở
một số loại cây như Cinnamomum verum, C.cassia, C.zeylanicum, đồng thời tham gia
vào quá trình tổng hợp lignin, flavonoid và coumarin ở thực vật. Khi bị suy thoái, thực
vật giải phóng acid cinnamic vào môi trường, tích tụ với hàm lượng cao làm giảm độ
phì nhiêu, gây hư hại và biến chất đất. Bên cạnh đó, acid cinnamic là tác nhân ức chế sự
nảy mầm của hạt, ngăn cản sự phát triển của rễ gây ảnh hưởng đến sự tăng trưởng cây
trồng, làm giảm năng suất và chất lượng nông sản, dẫn đến thiệt hại to lớn trong ngành
nông nghiệp.
Trong công nghiệp, hàng năm các nhà máy chế biến nông sản, trong đó lĩnh vực
chế biến dầu ô liu thải ra một lượng lớn nước thải với nồng độ acid cinnamic lên tới
10g/l, lớn hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép, gây ảnh hưởng môi trường nước
nghiêm trọng. Bên cạnh đó, các nhà máy chưng cất rượu vang, nghiền giấy cũng thải ra
hàm lượng đáng kể acid cinnamic gây phá hủy màng tế bào cơ thể vi sinh vật, làm mất
sự cân bằng hệ sinh thái.
Ngoài ra, acid cinnamic dùng làm chất kích thích tăng trưởng trong thuốc bảo vệ
thực vật, chất tạo màu, hương liệu trong thực phẩm. Bên cạnh đó, acid cinnamic cũng
là chất hoạt hóa trong mỹ phẩm và là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất nước hoa.
Đây cũng chính là những nguồn phát sinh không nhỏ acid cinnamic vào môi trường sống
gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật.
Vì vậy, việc tìm kiếm công nghệ phân hủy acid cinnamic nói riêng và các chất hợp
chất phenolic độc hại nói chung là vô cùng quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn cao.


2


1.1.3. Các phương pháp xử lý acid cinnamic
1.1.3.1. Công nghệ xử lý cổ điển
a. Phương pháp hấp phụ
Phương pháp này thường được ứng dụng để xử lý nước thải chứa các hợp chất
phenolic với hàm lượng thấp. Chất hấp phụ được sử dụng nhiều nhất là than hoạt tính.
Hai loại than thường được sử dụng là than dạng hạt và than dạng bột. Các nghiên cứu
quy mô công nghiệp cũng chỉ ra rằng than dạng hạt dễ thu hồi sau sử dụng trong khi
than dạng bột rất khó tách ra khỏi nước thải sau xử lý. Hiệu quả của phương pháp này
phụ thuộc vào đặc điểm của chất hấp phụ (thành phần các nhóm chức, diện tích bề
mặt...), thành phần đặc tính nước thải (pH, nhiệt độ, độ phân cực, sự có mặt của các chất
cạnh tranh...), bản chất của chất cần hấp phụ (khả năng hòa tan, tính ưa nước, khối lượng
phân tử...). Hấp phụ là phương pháp khá hiệu quả nếu giá thành vật liệu hấp phụ rẻ. Chất
hấp phụ sau xử lý dễ thu hồi, các thiết bị và vận hành đơn giản. Tuy nhiên cần phải tái
tạo lại chất hấp phụ khi đã bão hòa.
b. Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học gồm phân hủy bằng vi sinh vật và phân hủy bằng enzim.
+ Phương pháp phân hủy bằng vi sinh vật dựa vào sự phát triển của các vi khuẩn, nấm
men...mà sử dụng các hợp chất phenolic như một nguồn cacbon, năng lượng và phân
hủy nó. Sản phẩm của các quá trình phân hủy này là sinh khối, CO2, H2O…Một số các
phương pháp sinh học thường được ứng dụng để xử lý nước ô nhiễm phenolic như: Bùn
hoạt tính, lọc sinh học, bùn hoạt tính dạng mẻ, xử lý kỵ khí – thiếu khí – hiếu khí….
Tuy nhiên nếu nước thải ô nhiễm các hợp chất phenolic với nồng độ cao sẽ ức chế sự
phát triển của vi sinh vật. Nếu xử lý bằng quá trình yếm khí còn tạo ra một nguồn năng
lượng mới (khí sinh học – Biogas).
+ Phương pháp enzim sử dụng các enzim như một chất xúc tác sinh học để phân hủy
chất hữu cơ. Phương pháp này có độ chọn lọc cao, thời gian xử lý nhanh do thúc đẩy

phản ứng xảy ra nhanh hơn so với các loại phản ứng khác. Ưu điểm nổi bất nhất của
phương pháp enzim là cho hiệu quả khoáng hóa cao, thân thiện với môi trường, chi phí
vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả xử lý cao thì cần thiết phải
3


tiền xử lý nước thải bằng một phương pháp khác để giảm độ độc cho các vi sinh vật.
Phương pháp này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như: Nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại
nặng có mặt trong nước, thời gian xử lý kéo dài do sự phát triển sinh khối chậm, tạo
nhiều bùn dư và cần diện tích mặt bằng lớn.
c. Phương pháp oxy hóa ướt và oxy hóa ướt xúc tác
Là hai phương pháp oxy hóa các chất hòa tan hay lơ lửng trong nước bằng tác nhân
oxy dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Trong quá trình xử lý bằng phương pháp oxy
hóa ướt, chất hữu cơ sẽ bị oxy hóa thành các sản phẩm trung gian dễ phân hủy sinh học
hay khoáng hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O ở nhiệt độ (125 – 320 oC và áp suất 0,5 –
20 MPa). Sự có mặt của xúc tác đã làm tăng hiệu quả xử lý chất ô nhiễm, giảm tiêu thụ
năng lượng so với phương pháp bằng phương pháp oxy hóa ướt (dưới 200 oC), giảm chi
phí xử lý. Một số xúc tác đã được chứng minh làm tăng hiệu quả phân hủy phenolic
bằng phương pháp oxy hóa ướt xúc tác như các cation kim loại chuyển tiếp Cu+, Fe2+,
các kim loại hiếm Ru, Rh, Rd, Pt hay các oxit của kim loại như Cu, Ni, Co, Fe, Mn....
Phương pháp oxy hóa ướt và oxy hóa ướt xúc tác là các quá trình xử lý sạch do không
sử dụng các hóa chất và thường được ứng dụng để xử lý nước thải có tính độc cao mà
không thể xử lý trực tiếp bằng phương pháp sinh học. Tuy nhiên, phương pháp này có
chi phí cao và tiêu tốn nhiều năng lượng.
1.1.3.2. Công nghệ xử lý hiện đại – Phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs)
a. Khái niệm chung
Oxy hóa là quá trình electron chuyển từ chất này sang chất khác, tạo ra một thế
điện cực được biểu thị bằng volt dựa trên thế điện cực hydrogen bằng 0.
Mỗi tác nhân oxy hóa được đặc trưng bởi một thế oxy hóa mạnh hay yếu khác
nhau.


4


Bảng 1.2 Thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa thường gặp [6].
Tác nhân oxy hóa

Thế oxy hóa [V]

Gốc tự do hydroxyl

2,80

Oxy nguyên tử

2,42

Ozone

2,08

Hydrogen peroxyt

1,78

Permanganate

1,68

Hydrobromic acid


1,59

Hypochlorite

1,49

Hypoiodic acid

1,45

Chlorine

1,36

Chlorine dioxyde

1,27

Oxy phân tử

1,23

Brome

1,09

Iodine

0,54


Phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs) là những quá trình oxy hóa dựa vào gốc
tự do hydroxyl (OH*), có tính oxy hóa mạnh (thế oxy hóa là 2,8 V) tạo ra ngay trong
quá trình xử lý để phân hủy các chất hữu cơ độc khó phân hủy thành các hợp chất vô cơ
không độc hại, sản phẩm cuối cùng thường là CO2 và H2O.
Đối với các hợp chất có độ bền hóa học cao hoặc khó phân hủy thì áp dụng phương
pháp oxy hóa nâng cao mang lại hiệu quả cao.
b. Phân loại các phương pháp oxy hóa nâng cao
Căn cứ theo đặc tính của quá trình có hay không sử dụng nguồn năng lượng chiếu
xạ, có thể phân loại các quá trình AOPs thành hai nhóm: AOPs tối và AOPs sáng. Trong
đó, các quá trình AOPs sáng được sử dụng rộng rãi hơn trong xử lý nước thải bởi có thể
tận dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời ở những nơi có cường độ chiếu sáng mạnh,
làm giảm chi phí vận hành hệ thống và nâng cao hiệu quả xử lý.

5


Bảng 1.3 Các quá trình AOPs tối.
STT

Tác nhân phản ứng

Phản ứng đặc trưng

Tên quá trình

1

H2O2 và Fe3+


H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + OH*

Fenton

2

H2O2 và O3

H2O2 + 2O3 → 2OH* + 3O2

Peroxon

3

O3 và các chất xúc tác

3O3 + H2O → 2OH* + 4O2

Catazon

4

H2O và năng lượng điện hóa

H2O → OH* + H*

Oxy hóa điện hóa

5


H2O và năng lượng ̣ siêu âm

H2O → OH* + H*
(20 – 40 kHz)

Siêu âm

H2O → OH* + H*

Bức xạ năng

( 1 – 10 Mev)

lượng cao

H2O và năng lượng cao

6

Bảng 1.4 Các quá trình AOPs sáng.
STT

Tác nhân phản ứng

Phản ứng đặc trưng

Tên quá trình

1


H2O2 và năng lượng UV

H2O2 → 2OH*
( = 220 nm)

UV/H2O2

2

O3 + H2O → 2OH*

O3 và năng lượng UV

UV/O3

( = 253,7 nm)
3

4

5

H2O2/O3
và năng lượng UV

H2O2 + O3 + H2O → 4OH* + O2
( = 253,7 nm)

H2O2 /Fe3+ và


Fe3+ + H2O → Fe2+ + OH*

năng lượng photon

H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + OH*

Chất bán dẫn và

TiO2… → e- + h+
h+ + H2O → OH* + H+
h+ + OH- → OH* + H+

năng lượng photon

UV/H2O2 + O3

Quang fenton
Quang xúc
tác bán dẫn

Các phương pháp AOPs đặc biệt hiệu quả đối với việc xử lý nước thải độc hại chứa
các hợp chất khó phân hủy như: Các hợp chất vòng thơm, các chất diệt cỏ, thuốc trừ
sâu,....Người ta có thể phối hợp một số phương pháp oxy hóa nâng cao như: UV/H2O2/
TiO2, UV/Fenton và Siêu âm/UV/TiO2… để đạt hiệu năng xử lý cao hơn.

6


c. Cơ chế quá trình oxy hóa nâng cao
Gốc tự do hydroxyl (OH*) có tính oxy hóa rất mạnh (thế oxy hóa là 2,8 V) có thể

tham gia phản ứng với hầu hết các hợp chất vô cơ và hữu cơ với hằng số tốc độ phản
ứng trong môi trường lỏng từ 107 đến 1010 M-1.s-1.
Quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, cơ kim loại và chất vô cơ bởi gốc tự do
hydroxyl có thể được thực hiện theo 3 cơ chế sau.
Bảng 1.5 Cơ chế phản ứng với gốc tự do hydroxyl.
Cơ chế phản ứng

Ví du ̣

Thế hydro

RH + OH* → R* + H2O

Cộng hợp vào liên kết đôi hoặc vòng thơm
R1N-R2R3 + OH*→ R1N*+ R2R3 + OH-

Trao đổi electron

Fe2+ + OH*→ Fe3++ OH-

Gốc tự do hydroxyl phản ứng không có tính chọn lọc, nên trong quá trình phản
ứng tạo ra nhiều gốc tự do mới trung gian. Các gốc tự do mới tiếp tục thực hiện phản
ứng oxy hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ theo cơ chế chuỗi phản ứng cho đến khi vô
cơ hóa hoàn toàn thành các chất không độc hại. Cụ thể như sau là:
- Carbon trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành carbon dioxide.
- Hydrogen trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành nước.
- Phosphos trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành phosphate hay acid phosphoric.
- Sulfur trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành sulphate.
- Nitrogen trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành nitrate.
- Halogen trong phân tử chất hữu cơ ô nhiễm thành acid halogenic.

Khi phản ứng cộng vào vòng thơm, hằng số tốc độ của gốc tự do hydroxyl lên
đến 1010 M-1.s-1. Do đó, hiện nay các quá trình AOPs được xem như là nhóm phương
pháp xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ bền khó hoặc không bị phân hủy trong
nước thành các chất vô cơ đơn giản, không độc hại.

7


1.2. PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG VÀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Fe2TiO5
1.2.1. Đặc điểm phản ứng xúc tác quang
Phản ứng xúc tác quang là quá trình xúc tác (chất bán dẫn) được hấp thụ năng
lượng ánh sáng hình thành các hạt mang điện linh động và có hoạt tính cao, là tác nhân
khơi mào cho một loạt phản ứng oxy – khử diễn ra [7].
Phản ứng xúc tác quang ứng dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt trong xử lý môi
trường nhờ có nhiều ưu điểm nổi bật như:
+ Phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy đến mức vô cơ hóa hoàn toàn.
+ Không phát sinh ra bùn bã thải.
+ Chi phí đầu tư không quá đắt và vận hành đơn giản.
+ Thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường.
+ Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc thiên nhiên.
+ Chất xúc tác dễ điều chế, không độc và rẻ tiền.
Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phản ứng xúc tác quang cũng
như cơ chế phản ứng trên các xúc tác khác nhau. Trong đó, một số công trình nghiên
cứu từ quy mô phòng thí nghiệm được đưa vào ứng dụng trong thực tế. Điều đó cho
thấy triển vọng của phản ứng xúc tác quang trong xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân
hủy, hạn chế sự ô nhiễm môi trường.
1.2.2. Nguyên lý phản ứng xúc tác quang
Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của xúc tác bán dẫn gồm có một vùng gồm
những orbital phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi là vùng hóa trị và một
vùng gồm những phân tử phản liên kết còn trống electron, được gọi là vùng dẫn. Hai

vùng này được chia cách bởi một hố năng lượng gọi là vùng cấm, đặc trưng bằng năng
lượng vùng cấm, kí hiệu là Eg (Band gap energy).
Khi được kích thích bởi tác nhân ánh sáng có năng lượng photon lớn hơn năng
lượng vùng cấm, các electron trên vùng hóa trị của xác tác bán dẫn sẽ nhảy lên vùng
dẫn. Kết quả tại vùng dẫn xuất hiện các electron mang điện tích âm, kí hiệu là e- (gọi là
electron quang sinh) và tại vùng hóa trị hình thành các lỗ trống mang điện tích dương kí
hiệu là h+ (gọi là lỗ trống quang sinh). Chính các electron quang sinh và lỗ trống quang
sinh là tác nhân khơi mào các quá trình hóa học xảy ra, bao gồm quá trình oxy hóa với
8


lỗ trống quang sinh và khử với electron quang sinh ứng với các tác chất bị hấp phụ trên
bề mặt xúc tác. Ngoài ra, các electron và lỗ trống quang sinh này có thể kết hợp lại trên
bề mặt xúc tác bán dẫn hay trong khối các hạt bán dẫn kèm theo việc giải phóng năng
lượng dưới dạng ánh sáng hoặc nhiệt.

Hình 1.2 Cơ chế quá trình quang xúc tác bán dẫn dưới năng lượng ánh sáng [8].
Nhìn chung, hiệu quả của xúc tác quang bán dẫn phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa
các quá trình oxy hóa – khử của các cặp lỗ trống – electron quang sinh với sự tái hợp lại
của các hạt mang điện này. Đây là tác nhân khởi đầu cho hàng loại chuỗi phản ứng oxy
hóa – khử với các tác chất trong môi trường phản ứng. Hiệu năng hoạt động của các cặp
elctron và lỗ trống phụ thuộc vào các yếu tố nội tại và bên ngoài trong môi trường phản
ứng. Chẳng hạn như cấu trúc tinh thể, trạng thái bề mặt, kích thước hạt, tạp chất…được
xem là các yếu tố nội tại. Trong khi đó, các thông số như: pH của dung dịch, nhiệt độ,
sự có mặt của các tạp chất trong hệ, cường độ ánh sáng, nồng độ chất xúc tác và tốc độ
khuấy… được xem như là các yếu tố bên ngoài. Tuy nhiên các yếu tố này tương tác lẫn
nhau, ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu năng phản ứng xúc tác quang nên rất khó để xác
định và mô tả các chức năng cụ thể. Do đó, hiệu suất của phản ứng được xác định thông
9



qua các sản phẩm hình thành sau phản ứng hoặc dựa vào khả năng phân hủy của các
chất tham gia phản ứng.
1.2.3. Chất bán dẫn Fe2TiO5
1.2.3.1. Cấu trúc, tính chất của Fe2TiO5
Fe2TiO5 có tên khoa học là pseudo-brookite, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng
khoáng màu nâu đỏ, có tinh thể hình lăng trụ. Trên trái đất, khoáng pseudo-brookite xuất
hiện ít phổ biến hơn các dạng rutile (TiO2) và ilmenit (FeTiO3). Fe2TiO5 được hình thành
từ quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, do vậy khi ở nhiệt độ dưới 585 oC có xu hướng phân
hủy thành rutile TiO2 và Fe2O3. Chất bán dẫn Fe2TiO5 có cấu trúc tinh thể tương tự như
Al2TiO5, MgTi2O5, ... được minh họa như hình 1.3 [9].

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể Fe2TiO5 trong không gian ba chiều [10].
Trong mạng tinh thể Fe2TiO5, mỗi ô đơn vị được tạo bởi bốn loại đồng phân khác
nhau, gồm 4 nguyên tử Ti4+, 8 nguyên tử Fe3+ và 20 nguyên tử O2-. Các đặc tính cấu trúc
mạng tinh thể thể hiện bảng 1.6.

10


Bảng 1.6 Cấu trúc mạng tinh thể của Fe2TiO5 [11].
Tính chất

Pseudo-brookite

Cấu trúc tinh thể

Hệ thoi
a = 3,795


Hằng số mạng (Å)

b = 5,330
c = 10,028
α = 90,000°

Hằng số góc

β = 90,000°
γ = 110,858°

Số phối trí

8

Độ cứng

6

Thể tích/phân tử (Å3)

189,538

Tỉ khối (g/cm3)

4,20

Năng lượng vùng cấm (eV)

1,878


Pseudo-brookite Fe2TiO5 có cấu trúc trực giao, hệ thoi thuộc nhóm không gian
Cmcm, được hình thành từ hai loại đa diện phối trí tám mặt TiO6 và FeO6 nối với nhau
qua cạnh và dùng chung đỉnh oxy. Trong khối bát diện, tâm là vị trí của các cation được
bao quanh bởi 6 anion O2- theo kiểu phối trí tám mặt. Tromg mạng tinh thể, các tâm
cation Fe3+ và Ti4+ phân bố tương ứng ở hai vị trí 4c và 8f, nằm đối xứng nhau, dẫn đến
các khối bát diện TiO6 và FeO6 có cấu trúc tương tự nhau. Tuy nhiên, hai loại bát diện
khác nhau do độ biến dạng các mặt và cách thức liên kết với các khối bát diện khác.
Trong khối bát diện TiO6, các mặt bị biến dạng mạnh do lực hút tĩnh điện của các cation
Fe3+ với các cation O2-, độ dài các liên kết Ti-O khoảng 1,91 đến 2,15 Å, mức độ đối
xứng của tinh thể thấp. Còn các mặt bát diện trong khối FeO6 ít bị biến dạng hơn với độ
dài các liên kết Fe-O khoảng 2,01 Å, mức độ đối xứng tinh thể cao như hệ thoi, thể tích
khối đa diện FeO6 khoảng 10,173 Å3, lớn hơn khối TiO6 (thể tích khoảng 9,983 Å3).
Trong mạng lưới tinh thể, mỗi bát diện tiếp xúc với 6 bát diện lân cận thông qua các
cạnh, sắp xếp theo hai mặt phẳng vuông góc nhau tạo thành không gian ba chiều. Mỗi
11


khối TiO6 liên kết với ba khối FeO6 và ba khối TiO6, còn khối FeO6 được liên kết với
sáu khối TiO6. Các mặt bát diện là liên kết tạo thành chuỗi kép vô hạn dọc theo hướng
không gian c.
Fe2TiO5 là một chất bán dẫn tiềm năng, được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, Fe2TiO5 có độ rộng vùng cấm nhỏ ( Eg = 2,18
eV), là một xúc tác quang đầy triển vọng có khả năng hấp thụ trong vùng ánh sáng khả
kiến. Bên cạnh đó, khoáng Fe2TiO5 tương đối rẻ thuận lợi cho nghiên cứu để ứng dụng
thực tế trong công nghệ xử lý nước thải với quy mô công nghiệp. Hơn nữa, Fe2TiO5 có
tính chất từ độc đáo nên dễ dàng trong quá trình thu hồi và tái sử dụng xúc tác, tiết kiệm
chi phí trong việc sử dụng xúc tác.
Ngoài ra, Fe2TiO5 có tính chất điện, thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu ứng
dụng trong lĩnh vực quang điện. Gần đây, Fe2TiO5 được nghiên cứu làm sắc tố để pha

sơn, sản xuất men màu, gốm sứ bởi sự bền nhiệt và phân tán tốt. Hơn nữa, Fe2TiO5 cũng
được ứng dụng làm điện cực anod của pin Li-ion [9, 10].
1.3.2.2. Cơ chế phản ứng quang hóa của Fe2TiO5
Cấu hình electron trong phân tử Fe2TiO5 như sau:
Ti: 1s22s22p63s23p63d24s2

Ti4+: 1s22s22p63s23p63d04s0

Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

Fe3+: 1s22s22p63s23p63d54s0

O: 1s22s22p63s2

O2-: 1s22s22p63s0

Như vậy, trong cấu hình phân tử, phân lớp 3d, 4s của các ion Fe3+ và Ti4+ có còn
trống electron, đóng vai trò là vùng dẫn. Mặt khác, các ion O2- với phân lớp 2p chứa đầy
electron tương ứng với vùng hóa trị của xúc tác.
Khi xúc tác hấp thụ năng lượng photon lớn hơn năng lượng vùng cấm sẽ hình thành
electron quang sinh ở vùng dẫn và lỗ trống quang sinh ở vùng hóa trị.
Fe2TiO5 + hv → e- + h+
Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh di chuyển ra bề mặt của xúc tác
phản ứng với tác chất hấp phụ tạo gốc có tính tự do có tính oxy hóa mạnh.
e- /h+ + chất hấp phụ (H2O, O2, H2O2,…) → OH* + O2*- + HO2*- +…
Bên cạnh đó, các tâm Fe3+ trên bề mặt tinh thể cũng tham gia hấp thụ năng lượng
photon oxy hóa nước tạo thêm một số gốc tự do OH* phụ cho phản ứng.
12



Fe3+ + H2O + hv → OH* + Fe2+ + H+
Các gốc tự do sinh ra (OH* + O2*- + HO2*- +…) có tính oxy hóa mạnh thực hiện
hàng loại các phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các chất ỗ nhiễm thành các chất vô hại,
sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
(OH* + O2*- + HO2*- +…) + chất ô nhiễm → ... → CO2 + H2O
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG
1.3.1. Bản chất của xúc tác [6, 11, 12]
Tính chất quang của xúc tác chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như cấu trúc tinh
thể, cấu trúc điện tử, thành phần pha và kích thước hạt xúc tác. Đối với xúc tác Fe2TiO5,
hoạt tính quang còn phụ thuộc vào mức năng lượng, hình dạng điện tử và mật độ phân
bố các nguyên tử trong tinh thể. Tuy nhiên, các yếu tố có mối liên hệ phức tạp, khó có
thể mô tả ý nghĩa cụ thể riêng biệt cho từng yếu tố. Trong khuôn khổ nghiên cứu luận
văn, chỉ đưa ra một số yếu tố quan trọng quyết định tính chất quang của xúc tác Fe2TiO5.
1.3.1.1. Độ kết tinh của tinh thể
Mức độ tinh thể hóa đóng một vai trò quan trọng đến hiệu quả xúc tác quang. Kết
quả nghiên cứu sự thay đổi hoạt tính trong phản ứng phân hủy acid cinnamic pha lỏng
theo nhiệt độ nung xúc tác, ta nhận ra rằng khi tăng nhiệt độ nung từ 600 lên 750 oC thì
hoạt tính quang hóa tăng theo và đạt hiệu suất cực đại ở khoảng 700 oC. Điều này chứng
tỏ, khi tăng nhiệt độ nung thì mức độ tinh thể hóa tăng, dẫn đến tăng tính linh động của
các gốc tự do mang điện trên bề mặt xúc tác, do đó tăng hoạt tính quang cho phản ứng.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ nung quá cao, vượt qua nhiệt độ tối ưu cho độ kết tinh của tinh
thể thì dẫn đến tăng kích thước tinh thể kéo theo sự giảm hoạt tính quang của xúc tác.
1.3.1.2. Kích thước hạt, đường kính lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng
Kích thước hạt, đường kính lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng ảnh hưởng trực tiếp
đến quá trình hấp phụ và số lượng tâm hoạt động của xúc tác nên đóng vai trò quan trọng
đối với hiệu quả trong phản ứng xúc tác quang.
Đối với vật liệu nano, kích thước hạt là thông số quan trọng quyết định đến nhiều
tính chất vật lý và hóa học của xúc tác. Chỉ một sự thay đổi nhỏ về kích thước hạt dẫn
đến sự thay đổi lớn về tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích. Bên cạnh đó, sự tái kết hợp
13



các cặp e-/h+ trên bề mặt và trong tinh thể cũng có sự biến đổi quan trọng. Phần lớn quá
trình oxy hóa khử của cặp e-/h+ xảy ra trên bề mặt xúc tác, khi hạt càng nhỏ thì thời gian
di chuyển của các gốc tự do ra bề mặt phản ứng với tác chất càng nhanh, tăng hiệu quả
phản ứng của electron và lỗ trống, làm tăng hoạt tính quang xúc tác. Tuy nhiên kích
thước tinh thể càng nhỏ thì tốc độ tái hợp các cặp e-/h+ cũng tăng theo và độ rộng vùng
cấm các hạt càng lớn.
Diện tích bề mặt riêng có ảnh hượng lớn đến phản ứng xúc tác quang, bởi vì trên
đó mang các trung tâm hoạt động, quyết định quá trình tạo ra các gốc tự do khơi mào
cho chuỗi phản ứng oxy hóa khử. Đồng thời, bề mặt riêng xúc tác thể hiện khả năng hấp
phụ các tác chất phản ứng, diễn ra các phản ứng oxy hóa khử, liên quan trực tiếp độ
chuyển hóa cho dung dịch. Tuy nhiên, diện tích bề mặt lớn thì lượng khuyết tật thường
là các trung tâm tái hợp điện tử, lỗ trống tăng theo, từ đó làm giảm hiệu suất phản ứng
xúc tác quang. Ngoài ra, độ đồng nhất và khuyết tật bề mặt liên quan tới sự hấp phụ
nhóm OH-, độ hấp phụ quang, nên có vai trò quan trọng đến tính chất quang của xúc tác.
Tuy nhiên, nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, hiệu suất phản ứng xúc tác quang
không tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt của sản phẩm. Nhóm OH- bề
mặt có vai trò quyết định đến hiệu suất phản ứng xúc tác quang bởi trực tiếp tham gia
vào cơ chế phản ứng bẫy lỗ trống tạo thành gốc OH*. Mặt khác, nhóm OH- ảnh hưởng
đến khả năng hấp phụ các chất phản ứng lên bề mặt và ngăn cản hiện tượng tái kết hợp
các cặp e-/h+. Nồng độ nhóm OH- phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều điều chế và
quá trình xử lý xúc tác.
1.3.1.3 Độ rộng vùng cấm Eg
Mục đích chủ yếu của quá trình nghiên cứu điều chế Fe2TiO5 là làm giảm giá trị
năng lượng vùng cấm tương ứng với năng lượng ánh sáng trong vùng khả kiến. Độ rộng
vùng cấm thấp thì khả năng hấp thụ ánh sáng tăng, dẫn đến dễ dàng hình thành các
electron và lỗ trống, thúc đẩy quá trình quang hóa, tăng hiệu năng cho phản ứng. Tuy
nhiên, ảnh hưởng của năng lượng vùng cấm tới hoạt tính xúc tác quang còn nhiều ý kiến
khác nhau. Một số tác giả cho rằng, phổ hấp thụ UV-Vis chuyển dịch càng nhiều về phía

sóng dài, năng lượng vùng cấm nhỏ thì hiệu suất xúc tác quang sẽ lớn. Tuy nhiên, một
số nghiên cứu cũng cho thấy, năng lượng vùng cấm thấp lại có hoạt tính xúc tác quang
14