3.2. HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA WS2/g-C3N4
3.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang
Như các tài liệu đã công bố, xanh methylene hấp phụ mạnh trên nhiều vật liệu. Vì thế đề có cơ sở xác định thời gian cân bằng hấp phụ, chúng tôi khảo sát sự hấp phụ trên các vật liệu bằng cách khuấy dung dịch xanh methylene trong sự có mặt của chất xúc tác và nồng độ xanh methylene được đo ở các thời điểm khác nhau. Kết quả được trình bày trong hình 3.14. Chỉ riêng đối với 10WS2/g- C3N4 sau 4 giờ mới cân bằng hấp phụ, riêng đối vwosi các vật liệu khác gần như hấp phụ không đáng kể.
Hình 3.14. Dung lượng hấp phụ xanh methylene theo thời gian của các vật liệu 10WS2/g-C3N4 (a), 20WS2/g-C3N4 (b), 30WS2/g-C3N4 (c) và 40WS2/g-C3N4 (d) Với mục đích so sánh, hoạt tính xúc tác của WS2 và g-C3N4 điều chế từ thiourea cũng được đánh giá hoạt tính xúc tác và kết quả được trình bày trên hình 3.15. Chúng ta dễ dàng nhận thấy hoạt tính xúc tác của WS2 tốt hơn nhiều so với g-C3N4. Sau 7 giờ phản ứng, độ chuyển hóa xanh methylene của WS2 và g-C3N4 tương ứng bằng 41 và 15%.
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn C/Co của WS2 và g-C3N4 trong phản ứng phân hủy xanh methylen
Hoạt tính xúc quang của các vật liệu sau khi kết hợp WS2 với g-C3N4, các thí nghiệm phân hủy dung dịch xanh methylen được tiến hành dưới điều kiện ánh sáng đèn dây đốt vonfram công suất 100W có kết hợp kính lọc tia UV. Sau khi khuấy hỗn hợp phản ứng trong bóng tối 4 giờ đối với mẫu 10WS2/g-C3N4 và 2 giờ đối với các mẫu còn lại, hỗn hợp phản ứng được khuấy dưới ánh sáng đèn dây đốt được chắn bởi kính lọc tia UV trong một cốc hở. Theo thời gian, cường độ màu của dung dịch nhạt dần. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/C0 theo thời gian được thể hiện ở các Hình 3.15, trong đó C0 là nồng độ của dung dịch xanh methylene sau khi chạy trong bóng tối và C là nồng độ của dung dịch xanh methylene ở thời gian phản ứng t.
Do mẫu 10WS2/g-C3N4 hấp phụ tốt nên chúng tôi dùng nồng độ đầu là 30 mg/L, riêng các mẫu khác là 10 mg/L.
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/C0 của xanh methylene theo thời gian phản ứng t trên các vật liệu ở 5000C
Đồ thị chỉ ra rằng, khi so sánh 4 mẫu trên thì mẫu 10WS2/g-C3N4 có hoạt tính xúc tác tốt nhất so với mẫu WS2/g-C3N4 khác và tốt hơn nhiều so với mẫu WS2 và g-C3N4 tinh khiết. Sau 7 giờ phản ứng, độ chuyển hóa xanh methylen trên mẫu đạt 72,7%. Trong khi đó, đối với các mẫu còn lại, nồng độ xanh methylen giảm ít hơn cùng thời gian và thấp nhất là mẫu 40WS2/g-C3N4. Kết quả đánh giá hoạt tính xúc tác chỉ ra rằng mẫu 10WS2/g-C3N4 tốt nhất, sau đó đến 20WS2/g-C3N4 và cuối cùng là hai mẫu 30WS2/g-C3N4 và 40WS2/g-C3N4 gần như
nhau. Kết quả này có thể hàm lượng tương đối của WS2 cao có trong các mẫu 10WS2/g-C3N4 và 20WS2/g-C3N4. Tuy nhiên, chỉ có WS2 nguyên chất thì hoạt tính xúc tác không cao. Điều này chứng tỏ có một hiệu ứng cộng hợp (synergic effect) giữa hai chất WS2 và g-C3N4.
Để nghiên cứu động học quá trình phản ứng, chúng tôi áp dụng mô hình Langmuir-Hinshelwood và kết quả thu được như sau (hình 3.14).
Hình 3.14. Đồ thị mô phỏng mô hình Langmuir-Hinshelwood của các mẫu vật liệu ở 5000C.
Qua các đồ thị được thiết lập, chúng ta có thể thấy rằng các điểm gần như nằm trên đường thẳng và mối quan hệ ln(Co/C) theo thời gian gần như tuyến tính với giá trị R khá cao. Do đó, có thể khẳng định rằng các vật liệu trên tham gia quá trình xúc tác quang tuân theo mô hình Langmuir-Hinshewood. Từ các đồ thị, chúng ta dễ dàng xác định được hằng số tốc độ phản ứng k và được tổng hợp trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Bảng tổng kết số liệu hằng số tốc độ theo mô hình Langmuir- Hinshewood
STT Mẫu vật liệu Hằng số tốc độ k Hệ số hồi quy R2
1 10WS2/g-C3N4 0.15040 0.93836
2 20WS2/g-C3N4 0.13432 0.97231
3 30WS2/g-C3N4 0.07942 0.98257
4 40WS2/g-C3N4 0.05814 0.96937
Kết quả trên cho thấy hằng số tốc độ phản ứng có sự khác biệt nhau giữa các vật liệu và mang tính đặc trưng. Hằng số tốc độ giảm dần theo thứ tự:
10WS2/g-C3N4 > 20WS2/g-C3N4 > 30WS2/g-C3N4 > 40WS2/g-C3N4.
Tóm lại, các kết luận đánh giá hoạt tính xúc tác ở trên chỉ ra rằng vai trò của việc kết hợp WS2 với g-C3N4 đã tạo nên vật liệu cải thiện hoạt tính xúc tác quang của WS2. Kết quả này có thể mở ra việc gắn WS2 lên trên các chất nền khác nhau để làm tăng hoạt tính xúc tác quang và một số ứng dụng khác.