Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu khung cơ kim loại trên cơ sở Bismuth

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, ô nhiễm nước do các chất hữu cơ như thuốc nhuộm và kháng sinh đang trở thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường và sức khỏe con người. Trong số các phương pháp xử lý nước thải hiện có, xúc tác quang nổi bật nhờ khả năng khoáng hóa hoàn toàn và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, các vật liệu xúc tác quang hiện tại còn hạn chế về hiệu suất, khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và khả năng tái sử dụng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu xúc tác quang mới, đặc biệt là các vật liệu khung cơ kim loại (MOF) trên cơ sở Bismuth, là hết sức cần thiết để khắc phục những nhược điểm này, như năng lượng vùng cấm cao và tái hợp điện tử-lỗ trống.

Luận án này hướng đến các nhà nghiên cứu, kỹ sư hóa học, và các chuyên gia trong lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học môi trường, và công nghệ xử lý nước, đặc biệt là những người quan tâm đến phát triển vật liệu xúc tác quang tiên tiến cho ứng dụng bảo vệ môi trường.

Luận án tập trung vào việc tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng các vật liệu khung cơ kim loại (MOF) và vật liệu composite trên cơ sở Bismuth làm xúc tác quang để phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm. Các chất ô nhiễm hữu cơ từ ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm gây hại nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. Trong bối cảnh đó, xúc tác quang được xem là một phương pháp xử lý hiệu quả và thân thiện với môi trường. Luận án đã tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ kim loại BiBDC từ tâm kim loại bismuth và cầu nối hữu cơ acid terephthalic bằng phương pháp nhiệt dung môi. Kết quả cho thấy nhiệt độ tổng hợp ảnh hưởng đáng kể đến hình thái, kích thước tinh thể và năng lượng vùng cấm của vật liệu. Đặc biệt, mẫu BiBDC-100 (tổng hợp ở 100 °C) thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao nhất, đạt hiệu suất phân hủy Rhodamine B (RhB) lên đến 98% và duy trì độ ổn định tốt sau nhiều chu kỳ tái sử dụng. Ngoài ra, các vật liệu khung hữu cơ kim loại CAU-17, UU-200 và MIX-UCAU (từ tâm kim loại bismuth và cầu nối hữu cơ acid trimesic) cũng đã được tổng hợp thành công. Vật liệu MIX-UCAU, là sự lai tạo giữa CAU-17 và UU-200, cho thấy khả năng phân tách cặp điện tử-lỗ trống được cải thiện nhờ cấu trúc dị thể, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác quang. Để tăng cường hiệu quả phân hủy, luận án cũng nghiên cứu tổng hợp composite CAU-17/BiOCl và BiOCl/BHP. Vật liệu CAU-17/BiOCl được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, với CAU-17 hình thành trực tiếp trên các nanosheet BiOCl, thể hiện sự kết hợp hiệu quả giữa vật liệu vô cơ và hữu cơ, đạt hiệu suất phân hủy RhB là 96% và Tetracycline (TC) là 78,4%. Hiệu suất xúc tác quang cao hơn so với các vật liệu riêng lẻ nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng cải thiện, bổ sung tâm hoạt tính và quá trình phân tách điện tích hiệu quả theo mô hình liên kết dị thể kiểu S-Scheme. Vật liệu BiOCl/BHP, tổng hợp từ khung CAU-17 trong hỗn hợp dung môi DMF/DCM, đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 99,8% và Sulfamethoxazole (SMX) là 75,1%, nhờ tương tác bề mặt hiệu quả giữa BHP và BiOCl, thúc đẩy phân tách điện tích và tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến, cũng phù hợp với mô hình S-Scheme.