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 bối cảnh ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ độc hại ngày càng trở nên nghiêm trọng, việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả và bền vững là vô cùng cấp thiết. Titanium dioxide (TiO2) nổi bật như một vật liệu bán dẫn quang xúc tác đầy hứa hẹn nhờ khả năng phân hủy chất ô nhiễm thành các sản phẩm không độc hại. Tuy nhiên, các hạn chế cố hữu của TiO2 như độ rộng vùng cấm lớn, chỉ hoạt động hiệu quả dưới bức xạ tử ngoại (chiếm tỷ lệ thấp trong phổ mặt trời) và tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống cao, đã hạn chế đáng kể hiệu suất quang xúc tác của nó dưới ánh sáng khả kiến. Để khắc phục những nhược điểm này, nghiên cứu này khám phá tiềm năng của graphen và chấm lượng tử graphen (GQDs) khi kết hợp với TiO2 để cải thiện tính chất quang xúc tác, mở ra hướng ứng dụng hiệu quả hơn trong xử lý môi trường.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư, và sinh viên sau đại học trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học, kỹ thuật môi trường và công nghệ nano, quan tâm đến vật liệu quang xúc tác và ứng dụng xử lý môi trường.

Luận án tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng graphen, chấm lượng tử graphen (GQDs) nhằm tăng cường tính chất quang xúc tác của TiO2. Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp các vật liệu TiO2, graphen, GQDs và các hệ vật liệu tổ hợp như TiO2/graphen, TiO2/GQDs, cũng như TiO2/GQDs pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni, Mn) thông qua các phương pháp tiên tiến như siêu âm, thủy nhiệt, vi sóng và sol-gel. Các điều kiện công nghệ tối ưu cho quá trình chế tạo GQDs và tỷ lệ tối ưu giữa TiO2 và GQDs đã được xác định, đạt hiệu suất quang phân hủy xanh methylen cao nhất dưới ánh sáng khả kiến. Luận án cũng khảo sát mối liên hệ giữa cấu trúc, hình thái, tính chất quang và hiệu suất quang xúc tác của các vật liệu này, đặc biệt là trong quá trình phân hủy xanh methylen dưới cả bức xạ tử ngoại và ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy việc pha tạp kim loại chuyển tiếp giúp điều chỉnh vùng cấm, tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất phân tách cặp điện tử – lỗ trống. Công trình này khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của các hệ vật liệu tổ hợp TiO2/graphen, TiO2/GQDs và TiO2/GQDs pha tạp kim loại trong xử lý môi trường, đặc biệt là trong phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời, góp phần vào sự phát triển bền vững của công nghệ xử lý nước.