TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 409
NGHN CỨU TNG HP VẬT LIỆU CuInS2NG DỤNG LÀMC TÁC QUANG
ĐỂ XỬ LÝ Cr (VI) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
RESEARCH ON THE SYNTHESIS OF CuInS2 MATERIALS
APPLIED AS A PHOTOCATALYST FOR THE TREATMENT OF Cr (VI)
IN AQUEOUS ENVIRONMENT
Trần Thị Lan Anh1,*, Lê Thị Dung1,
Bùi Thanh Tùng2, Thị Hòa3
1Lớp KTHH 01- K17, Khoa công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTHH 02- K17, Khoa công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Khoa công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: tranlananh251104@gmail.com
TÓM TẮT
Vật liệu CuInS2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Mẫu vật liệu đặc trưng phương pháp nhiễu xạ tia X
(XRD), phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp hiển vi điện tử quét SEM, phương pháp quét thế
vòng tuần hoàn CV, phương pháp đo tổng trở EIS .Vật liệu CuInS2 được thử nghiệm khả năng xử Cr (VI) trong môi
trường nước. Điều này cải thiện hoạt tính quang xúc tác của vật liệu CuInS2 đối với khả năng xử Cr (VI) trong môi
trường nước
Từ khóa: Vật liệu CuInS2 , phương pháp thủy nhiệt, phân hủy quang xúc tác.
ABSTRACT
CuInS2 material is synthesized by hydrothermal method. Typical material samples by X-ray diffraction (XRD),
transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), CV cyclic potential scanning, EIS total
resistance measurement. The CuInS2 material is tested for the ability to handle Cr (VI) in an aqueous environment. This
improves the photocatalytic activity of the CuInS2 material for the processing capacity of Cr (VI) in an aqueous
environment.
Keywords: CuInS2 material, hydrothermal method, photocatalytic decomposition.
1. GIỚI THIỆU
Copper Indium Sulfide (CuInS2) nhờ các đặc tính quang
học như hệ số hấp thụ cao, năng lượng vùng cấm phù hợp
với phần nhìn thấy được của phổ bức xạ mặt trời ( 1,09 eV)
và đặc tính bán dẫn tốt cũng như không độc hại. Tuy nhiên
CuInS2 vẫn phải đối mặt với một số thách thức như diện ch
bề mặt riêng thường thấp, độ ổn định hóa học hạn chế sự
hình thành các khối kết tụ trong suốt quá trình phản ứng
CuInS2 nguyên chất thường có mật độ hạt tải thấp, dẫn đến
độ dẫn điện thấp. Hơn nữa, do lực tĩnh điện làm cho các
electron được quang sinh trong vùng dẫn CuInS2 nhanh
chóng kết hợp lại với các lỗ trống trong vùng hóa trị . Do
đó, việc sửa đổi CuInS2 cần thiết để tăng ờng khng
phân tách chuyển điện tích, điều này rất quan trọng để
cải thiện hiệu suất xúc tác quang của nó. Nhiều nỗ lực khác
nhau đã được thực hiện trước đây để cải thiện hiệu suất xúc
tác quang của CuInS2 như tổng hợp cấu trúc nano với hình
thái được kiểm soát, pha tạp kim loại hoặc phi kim loại và
kỹ thuật khía cạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu
hoạch ánh sáng vận chuyển hạt tải điện. Nhiều nghiên
cứu ghép CuInS2 với các chất bán dẫn khác để thiết lập hệ
tiếp xúc dị thể, chẳng hạn như phức CuInS2/gC3N4 CdS/
CuInS2 [1, 2]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung
nghiên cứu khả năng xử Cr (VI) trong môi trường nước
bằng vật liệu CuInS2 tổng hợp bằng phương pháp thủy
nhiệt.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Tổng hợp vật liệu CuInS2
Vật liệu CuInS2 được tổng hợp bằng phương pháp hòa
tan nhiệt bồm các bước sau: Đầu tiên, hòa tan 2,884 g
CH3(CH2)11OSO3Na (10 mmol) trong 50 mL ethylene
glycol (EG) khuấy hỗn hơp này trong 0,25 h 70 °C.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 410Sau đó, cho đồng thời dung dịch gồm 0,586 InCl3 (2 mmol);
0,483 g Cu(NO3)2 (2 mmol) 0,375 g thioacetamide
(C2H5NS, 5 mmol) trong 20 mL nước cất vào hỗn hợp trên
và khuấy mạnh với độ độ 600 rpm trong 30 phút 70 °C để
tạo thành dung dịch đồng nhất. Tiếp theo, hỗn hợp này được
cho vào bình Teflon khuấy mạnh nhiệt độ 180 oC trong
1 ngày để thu được hỗn hợp huyền phù u đen. Cuối cùng,
hỗn hợp này được tách chất rắn bằng ly tâm rửa nhiều
lần bằng ethanol và nước cất, sấy khô 80 oC trong 12
h để thu được vật liệu CuInS2.
2.2. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
Vật liệu được đo đặc trưng bằng phương pháp dùng phổ
UV-Vis đo xác định đường chuẩn Cr (VI), xác định độ
hấp phcủa vật liệu CuInS2 đối với Cr (VI) trên thiết bị UV-
Vis SP-3000nano OPTIMA tại phòng 403, tòa B2, Trường
Đại học Công nghiệp Nội sở 2. Phổ XRD được ghi
trên máy HUT-PCM D8 Advance (Đức), tại Khoa Hóa học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Nội. nh TEM
được đo trên máy JEM1010 tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung
ương. Kết quả đo SEM được ghi tại thiết bị kính hiển vi
điện tử quét Jeol-6610LA -Viện V sinh Dịch tễ Trung
ương. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn được đo tại
Viện Hóa học-Viện HL KHCN VN. Phổ tổng trở được đo
trên thiết bị Autolab ghép nối với máy nh tại Viện a
học-Viện HL KHCN VN.
2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu quả xử
lý Cr (VI) trong môi trường nước
Quá trình xử lý Cr (VI) bằng chất xúc tác quang CuInS2
được tiến hành trong cốc thủy tinh 250 mL có chứa áo nước
tuần hoàn để duy trì nhiệt độ dung dịch nhiệt độ phòng.
Lượng chất xúc tác quang (20 – 40 mg) được phân n o
dung dịch nước 100 mL có chứa dung dịch Cr (VI) (30 ppm).
Trước khi chiếu xạ ánh sáng mặt trời, hỗn hợp được khuấy
từ trong tối 60 phút đđạt được trạng thái cân bằng hấp phụ-
giải hấp phụ. Cường độ của ánh sáng mặt trời tới phản ứng
vào khoảng 2280 Lux. Việc xác định nồng độ Cr (VI) liên
quan đến việc sử dụngy quang phổ UV-vis Lambda 35
đỉnh hấp thụ 350 nm. Xác định nồng độ Cr(VI) n lại trong
dung dịch bằng phương pp đường chuẩn.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THẢO LUẬN
3.1. Các đặc trưng vật liệu
- Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
Giản đồ XRD của mẫu CuInS2 thể hiện các đỉnh nhiễu
xạ of 27,74°, 29,34°, 31,81o 48,07°, được gán cho
mặt phẳng (112), (101) (200) (204) của CuInS2 loại
chalcopyrite (thẻ JCPDS số 85-1575) [3] [4].
- Kết quả phân tích ảnh SEM TEM
Ảnh SEM TEM của vật liệu CuInS2 hình dạng tấm
hình bông hoa kích thước khoảng 1 µm, khá đồng
nhất và phân tán khá đồng đều.
- Kết quả phân tích tính chất quang điện hóa
Các tính chất quang quang điện hóa của vật liệu
CuInS2 được phân tích bằng phương pháp UV-Vis DRS, CV
phương pháp đo tổng (EIS). CuInS2 hấp thụ ánh sáng
nhìn thấy, với năng ợng vùng cấm 1,09 eV. Vật liệu
CuInS2 đường kính hình bán nguyệt nhỏ cho thấy quá
truyền điện tích nhanh. Phương pháp quét thế vòng tuần
hoàn (CV) cũng được sử dụng để xác định khả năng truyền
điện tích của mẫu CuInS2, cho thấy mẫu CuInS2 khả
năng truyền điện tích tốt do sự oxy hóa khử các ion
kim loại (Cu2+, Cu+, In3+, In2+) ở mức 0,32 và 0,12 V.
Hình 1. Giản đồ XRD của vật liệu CuInS2
3.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của xúc tác tổng
hợp được
- Khảo sátnh hưởng của nồng độ Cr (VI) đến hiệu quả
xử lý quang xúc tác
Vật liệu CuInS2 trong quá trình xử lý Cr (VI) được thực
hiện ở điều kiện: 100ml dung dịch Cr (VI) nồng độ lầnợt
là 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm; khối lượng xúc tác 30
mg; điều kiện: nhiệt độ 25°C, hấp phụ trong bóng tối 60
phút và sau khi hấp phụ được chiếu sáng liên tục trong 120
phút.
Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ Cr (VI) đến hiệu suất quá trình
quang xúc tác.
20 40 60 80
0
50
100
150
200
250
300
Intensity (a.u)
2 (degree)
(204)
(200) (101)
(112)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 2024 411Hình 2 cho thấy nồng độ Cr (VI) càng nhỏ hiệu suất
phản ứng quang xúc tác càng cao. Với nồng độ Cr (VI) bằng
20 ppm; sau 20 phút hiệu suất tăng nhanh 81% nhưng đến
120 phút hiệu suất cũng đạt 96 % như dung dịch Cr (VI)
nồng độ 30 ppm. Còn nồng độ Cr (VI) 40 ppm và 50 ppm
sau 120 phút thì hiệu suất giảm dần từ 96% đến 68,46%. Do
đó chúng tôi lựa chọn nồng độ Cr (VI) 30 ppm cho
nghiên cứu tiếp theo.
- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác đến hiệu
quả xử lý Cr (VI)
Vật liệu CuInS2 trong quá trình xử lý Cr (VI) được thực
hiện ở điều kiện: 100ml dung dịch Cr (VI) nồng độ ban đầu
30 ppm; khối lượng xúc tác 20 - 40 mg; điều kiện: nhiệt
độ 25oC, hấp phụ trong bóng tối 60 phút sau khi hấp phụ
được chiếu sáng liên tục trong 120 phút. Kết quả được thể
hiện trên hình 3.
Hình 3. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến quá trình xử lý Crom
Từ đồ thị hình 3 ta thấy, khi lượng xúc tác tăng t20 mg
– 30 mg thì hiệu suất xử lý Cr (VI) tăng từ 65,84 % - 96 %.
Nhưng khi tăng lượng xúc tác lên 40mg thì hiệu suất giảm
còn 93,84 %. Để giải thích cho vấn đề này là khi lượng xúc
tác sử dụng càng nhiều thì độ đục của dung dịch càng tăng,
điều này thể nguyên nhân dẫn đến sự cản trở che
chắn sự hấp thụ ánh sáng. Trong quá trình quang xúc tác độ
đục của dung dịch tăng dần và màu sắc của dung dịch cũng
bị biến đổi từ vàng sang xám do sự chuyển hóa của Cr (VI)
thành Cr (III). Một nguyên nhân nữa dẫn đến sự suy giảm
chậm về nồng độ Cr (VI) do trong quá trình quang a
làm pH của dung dịch tăng dần sự hình thành kết tủa
Cr(OH)3 dẫn đến dung dịch bị đục dần làm cho hiệu suất
giảm. Do đó chúng tôi lựa chọn lượng xúc tác thích hợp là
30 mg
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã tổng hợp thành công vật liệu CuInS2 bằng
phương pháp thủy nhiệt. Từ ảnh SEM ảnh TEM cho thấy
các hạt nano xúc tác CuInS2 hình dạng tấm và bông hóa
kích thước khoảng 1 µm, khá đồng nhất và khá đồng đều.
Vật liệu CuInS2 hoạt tính quang xúc tác cao do
năng lượng vùng cấm nhỏ khoảng 1,09 eV, tốc độ tái hợp
electron lỗ trống giảm, đồng thời tăng tốc độ truyền
tách electron. Khi chiếu xạ ánh ng khả kiến, xúc tác
CuInS2 cho hiệu quả xử Cr (VI) đạt hiệu suất cao 96
% sau 120 phút chiếu sáng điều kiện: nồng độ của dung
dịch Cr (VI) là 30 ppm; lượng xúc tác là 30 mg
Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác CuInS2
đến độ chuyển hóa Cr (VI) của vật liệu CuInS2 từ 20 mg -
40 mg cho thấy sự thay đổi chuyển hóa cao từ 65% đến
96%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
. Guanqi Wang, Zifeng Luo, Quanzhong Wei, Cheng Peng, Qizhen Liu, Jiang Wu, Ping He, Fanghe Zhou, YiJing
Sun, Yuanqin Xue. 2002. Dual-metal sites CuInS2/g-C3N4 Z-
scheme heterojunction with efficient photocatalytic
CO2 reduction selectivity, ScienceDirect, vol. 238, p. 107530, 15 December.
[2]
. Ashmalina Rahman, Fazlurrahman Khan, James Robert Jennings, Young-
Mog Kim, Mohammad Mansoob Khan.
CdS@CuInS2 nanocomposites for enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation,
ScienceDirect,
vol. 177, p. 108365.
[3]
. Feng Guo, Weilong Shi, Mingyang Li, Yu Shi, Huabing Wen, 2019. 2D/2D Z-scheme heterojunction of CuInS2/g-
C3N4 for enhanced visible-light-
driven photocatalytic activity towards the degradation of tetracycline,
ScienceDirect, vol. 210, pp. 608-615, 8 February.
[4]
. J. T. Z. H. Y. G. Y. X. Z. Z. Xiaofei Fu, 2022. Enhanced photo-
Cr(VI) via facile combining with Bi2S3: a direct Z-scheme mechanism,
Journal of Materials Science: Materials in
Electronics, vol. 33, pp. 24663-24676.
[5]
. Bishweshwar Pant, Gunendra Prasad Ojha, Yun-
Su Kuk, Oh Hoon Kwon, Yong wan Park, Mira Park, 2020.
Synthesis and Characterization of ZnO-TiO2/Carbon Fiber Composite with Enhanced Photocatalytic Properties,
Nanomaterials, vol. 10, pp. 1-12.