Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác quang trên nền TiO₂, ZnO biến tính bởi chấm lượng tử graphene pha tạp nitơ và nano bạc

Luận án tập trung vào vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước, vốn đang trở nên nghiêm trọng tại Việt Nam. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như chiếu xạ UV, phân hủy vi sinh, clo hóa hay ozon hóa còn nhiều hạn chế về năng lượng tiêu thụ, chi phí cao và khả năng tạo phụ phẩm độc hại. Công nghệ xúc tác quang sử dụng các oxit bán dẫn như TiO2 và ZnO được xem là giải pháp tiềm năng nhờ khả năng xử lý chất ô nhiễm hiệu quả, kinh tế và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, các vật liệu này còn hạn chế về hiệu suất hoạt động dưới ánh sáng khả kiến và tốc độ tái tổ hợp điện tử - lỗ trống nhanh. Do đó, việc nghiên cứu các vật liệu xúc tác quang mới, hiệu quả hơn là cần thiết.

Luận án hướng đến các nhà khoa học, nghiên cứu sinh, kỹ sư trong lĩnh vực hóa học, vật liệu, môi trường và công nghệ xử lý nước thải. Đặc biệt, nó cung cấp kiến thức chuyên sâu và giải pháp tiềm năng cho việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu suất cao để xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ trong nước.

Luận án tiến sĩ này trình bày nghiên cứu chuyên sâu về việc chế tạo và đánh giá vật liệu xúc tác quang tiên tiến dựa trên nền TiO2 và ZnO. Mục tiêu chính là khắc phục những hạn chế của các vật liệu xúc tác quang truyền thống, đặc biệt là hiệu suất kém dưới ánh sáng khả kiến và tốc độ tái tổ hợp điện tử - lỗ trống nhanh. Nghiên cứu tập trung vào việc biến tính TiO2 và ZnO bằng cách kết hợp đồng thời chấm lượng tử graphene pha tạp nitơ (N-GQDs) và nano bạc (Ag), một phương pháp được đánh giá là mới mẻ và phức tạp trong chế tạo vật liệu đa lớp. Nội dung nghiên cứu bao gồm việc chế tạo riêng lẻ các vật liệu TiO2, ZnO, TiO2/Ag, ZnO/Ag, TiO2/N-GQDs, ZnO/N-GQDs, và đặc biệt là các vật liệu biến tính đồng thời Ag, N-GQDs/TiO2 và Ag, N-GQDs/ZnO. Các vật liệu này sau đó được đặc trưng chi tiết về tính chất hóa lý và hình thái cấu trúc bằng nhiều phương pháp phân tích hiện đại như SEM, HRTEM, FTIR, XRD, UV-Vis, XPS, PL, Raman. Khả năng xúc tác quang của chúng được đánh giá thông qua quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ methylene blue trong môi trường nước dưới sự chiếu xạ ánh sáng. Những đóng góp khoa học công nghệ nổi bật của luận án bao gồm việc thiết lập quy trình chế tạo đơn giản, thân thiện môi trường cho hai loại vật liệu xúc tác quang đa lớp mới hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến. Luận án đã xác định được tỉ lệ tối ưu của nano Ag và N-GQDs, xây dựng mô hình cấu tạo hóa học của N-GQDs, sơ đồ khử ion Ag+ và sơ đồ vận chuyển điện tích trong hệ vật liệu phức tạp. Đồng thời, nghiên cứu cũng thiết lập sơ đồ các quá trình hồi phục phát xạ và không phát xạ của các cặp electron – lỗ trống trong hạt nano Ag/TiO2, cung cấp hiểu biết chi tiết về động học phân rã của chúng. Đặc biệt, luận án đề xuất cơ chế phân hủy caffeine sử dụng xúc tác Ag/ZnO dưới ánh sáng mặt trời, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải chứa caffeine. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc và tiềm năng ứng dụng cao cho việc phát triển các vật liệu xúc tác quang thế hệ mới.