MỞ ĐẦU
Trong vài thập kỷ gần đây, trên hành tinh Trái đất, các ngành công nghiệp dệt,
nhuộm, thuộc da, hóa chất hữu cơ và hóa dầu đang phát triển nhanh chóng đã góp phần
đáng kể gây ô nhiễm hữu cơ vào tài nguyên nước. Các chất độc hữu cơ thường được thải ra
từ các ngành công nghiệp này là thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc nhuộm hữu cơ.., hòa
trộn trực tiếp với nước sạch và làm ô nhiễm nguồn nước. Thuốc nhuộm hữu cơ tổng hợp
được sử dụng trong các ngành công nghiệp dệt, thuộc da và giấy có độc tính cao, gây đột
biến, gây ung thư và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái nước và có khả năng gây
ra các vấn đề nghiêm trọng liên quan đến sức khỏe con người. Ngày nay, việc xử lý ô nhiễm
môi trường đặc biệt là xử lý ô nhiễm môi trường nước đã trở thành vấn đề được quan tâm và
nóng hổi trên toàn thế giới và việc xử lý nước bị ô nhiễm là một thách thức lớn dai dẳng của
các nhà khoa học trên toàn thế giới. Do đó, trong lĩnh vực xử lý nước, các nhà nghiên cứu
đã không ngừng nỗ lực và kiên trì khám phá các công nghệ hiện đại và hiệu quả để loại bỏ
các chất hữu cơ độc hại khỏi nước bị ô nhiễm. Trong đó, công nghệ phân hủy chất hữu cơ
độc hại bằng phương pháp quang xúc tác là một kỹ thuật lành tính với môi trường được sử
dụng rộng rãi, sử dụng nguồn năng lượng sạch (ánh sáng tự nhiên) để phân hủy các chất hữu
cơ gây ô nhiễm thành các sản phẩm không độc hại hoặc ít độc hại hơn và do đó khắc phục ô
nhiễm môi trường một cách hiệu quả. Tuy nhiên, việc xử lý nước ô nhiễm bằng phương
pháp quang xúc tác cũng gặp phải một số thách thức vì hiệu quả của nó phụ thuộc vào nhiều
yếu tố khác nhau như loại chất xúc tác, bước sóng ánh sáng và dải cấm của chất xúc tác.
Sử dụng vật liệu bán dẫn để làm chất xúc tác trong quá trình xử lí ô nhiễm môi
trường nước đang là những ý tưởng được đánh giá cao trong ngành công nghiệp hóa học
xanh (nghiên cứu các chất hóa học để xử lí ô nhiễm môi trường). Một số dạng vật liệu phổ
biến đang được chú trọng nghiên cứu hiện nay có thể kể tới như các oxit kim loại (TiO2,
ZnO, WO3…), vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite ABO3 (BiFeO3, BaTiO3, SrTiO3), các
hợp chất bán dẫn ABO4 (ZnWO4, SnWO4) …. Tuy nhiên, phần lớn các dạng vật liệu này có
độ rộng vùng cấm lớn (> 3,2 eV) nên hầu như chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại,
chiếm khoảng 4% phổ Mặt Trời. Hiện nay, việc tìm kiếm vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng
cấm nhỏ đang là đề tài thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhóm nghiên cứu trên toàn
thế giới nhằm mục tiêu tận dụng nguồn ánh sáng mặt trời trong ứng dụng quang xúc tác,
giúp mở rộng quy mô ứng dụng, giảm giá thành và tăng sự tiện lợi. Bên cạnh đó, vật liệu
bán dẫn vùng cấm hẹp còn có tiềm năng lớn trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng hay sản
xuất nhiên liệu sạch như Hydrogen và Oxygen. Để đáp ứng tốt mục tiêu sử dụng ánh sáng
Mặt Trời, vật liệu bán dẫn cần đáp ứng được một số yêu cầu như: (i) độ rộng vùng cấm
nhỏ hơn 3,2 eV (380nm); (ii) diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và (iii) tốc độ tái hợp điện tử và
lỗ trống nhỏ.
Gần đây, vật liệu g-C3N4, một chất bán dẫn hữu cơ phi kim loại có cấu trúc điện tử và
tính chất quang độc đáo với độ rộng vùng cấm nhỏ (cỡ 2,7 eV), đã nhận được sự quan tâm
nghiên cứu rộng rãi của các nhà khoa học trên thế giới. Vật liệu g-C3N4 sở hữu một số đặc
tính vật lí ưu việt như độ cứng cao, không độc hại, ổn định hóa học và nhiệt độ ở các điều
kiện môi trường khác nhau, diện tích bề mặt riêng lớn, hiệu suất lượng tử tương đối cao và
tương thích sinh học,... Do đó, vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong một số lĩnh vực
như chuyển đổi quang điện, cảm biến nhiệt độ, cảm biến hóa học, y sinh, và đặc biệt là
