Luận án Tiến sĩ: Chế tạo graphen, chấm lượng tử graphen và ứng dụng chúng để tăng cường tính chất quang xúc tác của TiO₂

Trong những thập niên gần đây, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước bị các hợp chất hữu cơ độc hại làm ô nhiễm, đang trở thành thách thức toàn cầu nghiêm trọng. Việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, bền vững là ưu tiên hàng đầu. Trong số các giải pháp, vật liệu bán dẫn TiO2 nổi bật nhờ hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ, khả năng phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và H2O, cùng tính an toàn và giá thành thấp. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là độ rộng vùng cấm lớn, chỉ hoạt động hiệu quả dưới bức xạ tử ngoại, và khả năng tái hợp nhanh của cặp điện tử – lỗ trống, làm giảm hiệu suất lượng tử. Để khắc phục, việc giảm độ rộng vùng cấm và hạn chế tái hợp điện tích là cần thiết. Sự kết hợp TiO2 với graphen và chấm lượng tử graphen (GQDs) đã chứng minh hiệu quả vượt trội, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và cải thiện quá trình truyền tải điện tích.

Các nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh trong lĩnh vực khoa học vật liệu, công nghệ nano, hóa học, kỹ thuật môi trường, quang xúc tác và các ngành liên quan đến xử lý nước bằng quá trình oxy hóa tiên tiến.

Luận án tiến sĩ này tập trung nghiên cứu toàn diện việc chế tạo, đặc trưng hóa và ứng dụng quang xúc tác của graphen, chấm lượng tử graphen (GQDs) và các vật liệu tổ hợp của chúng với TiO2. Nhận thấy những hạn chế của TiO2 trong xử lý môi trường, nghiên cứu nhằm mục tiêu tăng cường hiệu suất quang xúc tác bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tái hợp điện tích. Các vật liệu TiO2/graphen, TiO2/GQDs, và TiO2/GQDs pha tạp ion kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni, Mn) đã được chế tạo thành công thông qua các phương pháp thân thiện môi trường như siêu âm, thủy nhiệt, vi sóng và sol-gel. Luận án đã tối ưu các điều kiện công nghệ như công suất vi sóng, pH, nhiệt độ thủy nhiệt, tỷ lệ khối lượng TiO2/GQDs (1:20 mol/mol) và nồng độ pha tạp kim loại (12%) để đạt hiệu suất phân hủy xanh methylen (MB) cao nhất dưới ánh sáng khả kiến. Các kỹ thuật đặc trưng như UV-Vis, Raman, FTIR, XRD, và BET đã được sử dụng để phân tích cấu trúc, hình thái, tính chất quang học và điện tử của vật liệu. Kết quả cho thấy việc pha tạp kim loại giúp điều chỉnh độ rộng vùng cấm, tăng cường hấp thụ ánh sáng và ức chế tái hợp điện tử – lỗ trống, nâng cao hiệu quả lượng tử. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của các hệ vật liệu này trong xử lý ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời, mang lại giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.