Nghiên cứu phản ứng quang oxy hóa khí hydrocarbon khó phân hủy trên các xúc tác quang có năng lượng vùng cấm thấp dạng màng mỏng

Đề tài: “Nghiên cứu phản ứng quang oxy hóa khí hydrocarbon khó phân hủy trên các xúc tác quang có năng lượng vùng cấm thấp dạng màng mỏng” do nhóm nghiên cứu của GS. TSKH. Lưu Cẩm Lộc tại Viện Công nghệ Hóa học thực hiện từ năm 2017 đến năm 2020, nhằm vào bốn mục tiêu sau:

- Chế tạo các quang xúc tác màng mỏng hoạt tính cao dưới ánh sáng UV-khả kiến và ánh sáng mặt trời bằng cách biến tính TiO2 với các oxide kim loại Fe(III), Cr(III), Zn(II), W và/hoặc phi kim như N và điều chế các xúc tác latanate perovskite nhạy ánh sáng khả kiến LaBO3 (B = Fe, Mn) và các vật liệu khung cơ kim bền nhiệt, bền nước và có hoạt tính cao (UiO-66-NH2 và Zn-MOF-74).

- Xác lập mối quan hệ giữa thành phần và hoạt tính quang xúc tác của các xúc tác và vai trò của chất pha tạp đối với tính chất lý - hóa, tính chất quang và hoạt tính của xúc tác. Làm sáng tỏ ưu điểm của việc sử dụng kết hợp ánh sáng tử ngoại và khả kiến trong quang phân hủy các hydrocarbon khó phân hủy trong khí thải. Phân biệt đặc điểm hoạt động của ba nhóm xúc tác quang được nghiên cứu.

- Thiết lập phương trình động học quang oxy hóa sâu p-xylene trên các hệ xúc tác quang khác nhau dưới chiếu xạ của ánh sáng tử ngoại và khả kiến.

- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lựa chọn và định hướng ứng dụng các xúc tác tốt nhất cho quá trình quang phân hủy khí thải trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu đã điều chế được ba nhóm xúc tác có năng lượng vùng cấm thấp, có thể hoạt hóa dưới ánh UV-khả kiến để trở thành xúc tác quang. Các xúc tác TiO2 biến tính Fe, W, Zn, Cr và N đã hạ năng lượng vùng cấm từ 3,20 eV xuống đến 1,99 – 2,99 eV và các xúc tác quang mới MOF và LaMO3 có năng lượng vùng cấm thấp, tương ứng là  2,2 eV và 2,01- 2,9 eV là những xúc tác quang hoạt hóa dưới ánh sáng khả kiến có-1,87  thể xử lý hiệu quả các khí ô nhiễm hữu cơ.

Bằng phương pháp nhúng phủ đã điều chế được xúc tác màng mỏng từ 3 nhóm xúc tác m Cácmnăng lượng vùng cấm thấp với chiều dày màng mỏng trong vùng tối ưu 2,5 – 5,1 xúc tác có năng lượng vùng cấm thấp nhất và hiệu suất quang phân hủy p-xylene cao nhất trong mỗi nhóm gồm TiO2 biến tính 0,1%Cr (EG = 1,99 eV và HUV-LED = 1,69 g/g), LaFeO3 (EG = 1,92 eV và HUV-LED = 1,70 g/g) và LaMnO3 (EG = 2,20 eV và HUV-LED =  1,27 g/g), so với- 2,70 eV và HUV-LED = 1,25 -1,57 g/g) và các xúc tác MOF (EG = 2,20  TiO2 thuần (EG = 3,2 eV và HUV-LED = 0,7 g/g). Nghiên cứu này mở ra khả năng ứng dụng xúc tác trong xử lý khí thải, sử dụng ánh sáng mặt trời.

Động học phản ứng là cầu nối giữa nghiên cứu cơ bản và triển khai ứng dụng công nghệ. Số liệu động học một mặt cung cấp những thông tin về cơ chế phản ứng, tạo cơ sở khoa học cho việc lựa chọn điều kiện tối ưu của phản ứng và cung cấp số liệu cho thiết kế lò phản ứng. Nghiên cứu cho thấy, thành phần xúc tác không làm thay đổi qui luật động học phản ứng quang phân hủy p-xylene trên các xúc tác màng. Phương trình động học (4), tuân theo cơ chế Langmuir–Hinshelwood, là phương trình động học chung cho quang oxy hóa p-xylene trên xúc tác màng mỏng MOF và perovskite dưới ánh sáng UV-Vis cũng như trên xúc tác P25 dưới ánh sáng UV. Phương trình động học này mô tả phản ứng giữa p-xylene hấp phụ phân tử với radical hydroxyl (•OH) tạo thành từ hấp phụ hơi nước trên lỗ trống quang sinh và oxy hấp phụ electron quang sinh (•O2), là giai đoạn chậm, quyết định tốc đô phản ứng. Tuy nhiên, sự khác biệt về tính chất lý - hóa của xúc tác tạo nên sự khác biệt về giá trị các hằng số tốc độ phản ứng cũng như bậc phản ứng. Nhờ mở rộng vùng hấp thu ánh sáng sang vùng khả kiến nên các xúc tác quang năng lượng vùng cấm thấp có giá trị bậc β xấp xỉ 1, có hiệu suất sử dụng ánh sáng cao hơn cho phản ứng chính, dẫn đến tăng tốc độ phản ứng. Sự phụ thuộc cực trị của tốc độ phản ứng vào áp suất riêng phần của hơi nước trên tất cả các xúc tác và của oxy trên xúc tác LaFeO3 là kết quả của bình phương mẫu số trong phương trình (4) và tạo nên do sự hấp phụ mạnh của các chất trên lên xúc tác.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17070/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.