Tóm tắt 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

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước do các hợp chất hữu cơ độc hại, đang trở thành thách thức toàn cầu nghiêm trọng, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả và bền vững. Vật liệu TiO2 nổi bật như một chất quang xúc tác đầy triển vọng trong xử lý nước thải nhờ khả năng tạo gốc oxy hóa mạnh. Tuy nhiên, hiệu suất của TiO2 bị hạn chế bởi độ rộng vùng cấm lớn, chỉ hấp thụ được bức xạ tử ngoại, và tốc độ tái hợp nhanh của các cặp điện tử – lỗ trống. Để khắc phục những nhược điểm này và nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời, luận án này tập trung vào việc chế tạo graphen và chấm lượng tử graphen (GQDs) cũng như ứng dụng chúng để tăng cường tính chất quang xúc tác của TiO2, bao gồm cả các hệ vật liệu pha tạp kim loại. Mục tiêu là mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, cải thiện quá trình tách điện tích và phát triển các vật liệu tiên tiến cho xử lý môi trường.

Giới học thuật, nghiên cứu sinh và các nhà khoa học trong lĩnh vực vật liệu, hóa học, kỹ thuật môi trường, công nghệ nano, quan tâm đến quang xúc tác và xử lý ô nhiễm.

Nghiên cứu này giải quyết thách thức về ô nhiễm môi trường bằng cách phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn cho xử lý nước thải. Hạn chế cố hữu của TiO2, bao gồm độ rộng vùng cấm lớn khiến nó chỉ hoạt động dưới tia UV và sự tái hợp nhanh của các cặp điện tử – lỗ trống, đã được khắc phục thông qua việc tạo ra các vật liệu tổ hợp tiên tiến. Luận án đã thành công trong việc chế tạo các vật liệu cơ bản như TiO2, graphen, chấm lượng tử graphen (GQDs), và các hệ vật liệu tổ hợp phức tạp như TiO2/graphen, TiO2/GQDs, cùng với các biến thể pha tạp kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni, Mn). Các phương pháp tổng hợp đa dạng như siêu âm, thủy nhiệt, vi sóng và sol-gel được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc và đặc tính của vật liệu. Điểm mấu chốt của công trình là khám phá mối liên hệ giữa cấu trúc, hình thái, tính chất quang và hiệu suất quang xúc tác của các vật liệu này. Graphen và GQDs được chứng minh là tăng cường đáng kể hiệu quả quang xúc tác bằng cách mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, cải thiện sự phân tách và vận chuyển điện tích, cũng như hạn chế tái hợp điện tử – lỗ trống. Đặc biệt, GQDs với đặc tính lượng tử mạnh và diện tích bề mặt lớn, cùng với khả năng phát huỳnh quang, đóng vai trò quan trọng. Hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ như xanh methylen dưới cả ánh sáng tử ngoại và khả kiến đã được đánh giá chi tiết. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phản ứng và hàm ý quan trọng cho việc phát triển vật liệu nano thế hệ mới, ứng dụng trong xử lý môi trường bền vững và các lĩnh vực năng lượng, cảm biến.