Nghiên cứu và chế tạo vật liệu quang xúc tác g-C3N4/Ag ứng dụng trong phản ứng tách nước sinh khí hydro

29/07/2025

TN&MTQuang xúc tác tách nước sinh khí H2 sử dụng năng lượng mặt trời là hướng nghiên cứu đang được quan tâm vì góp phần tạo ra nguồn năng lượng thay thế, xanh và sạch. Nano bạc (AgNPs) được chế tạo từ các phương pháp xanh, sử dụng các hợp chất polyphenol có trong dịch chiết lá trà xanh làm chất khử, phương pháp này đang được quan tâm nhờ tính thân thiện với môi trường và chi phí thấp. AgNPs sử dụng làm chất đồng xúc tác với g-C3N4 ứng dụng trong quang xúc tác tách nước sinh khí H2.

Các phương pháp phân tích như phổ UV-Vis, DRS-Uvis, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) dùng để khảo sát kích thước, hình thái và cấu trúc tinh thể đặc trưng của AgNPs và g-C3N4/Ag. g-C3N4/Ag cho thấy hoạt tính quang xúc tác tách nước sinh khí H2 qua lượng khí H2 sinh ra trong 180 phút là 126.19 mmol.g-1. Độ bền quang xúc tác được đánh giá ổn định qua ba chu kỳ phản ứng. Hiệu ứng plasmon bề mặt và rào cản Schottky hình thanh tại giao diện g-C3N4 và AgNPs đã làm tăng cường hiệu suất sinh khí H2 (g-C3N4 không thể hiện hoạt tính xúc tác sinh khí H2). Kết quả này đóng góp cho sự phát triển vật liệu sinh khí H2 sử dụng ánh sáng khả kiến có cường độ thấp. Từ khóa: Nano bạc, dịch chiết lá trà, tổng hợp xanh Giới thiệu Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã đạt được những tiến bộ đáng kể và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khoa học bề mặt, sinh học phân tử [1], vật lý bán dẫn [2], sinh học [3],… Trong đó, AgNPs đã thu hút được sự chú ý từ các nhà nghiên cứu. AgNPs thể hiện các đặc tính riêng biệt, khiến nó trở thành chủ đề nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là đối với các ứng dụng tiềm năng trong cảm biến quang học [4], xúc tác [5],… Bên cạnh đó, nano bạc còn được sử dụng như một chất xúc tác cho các phản ứng hóa học, đặc biệt trong việc tổng hợp các hóa chất hữu cơ phân tử nhỏ có giá trị cao, hoặc đóng vai trò làm chất xúc tác để phân hủy các chất ô nhiễm có hại [6], quang xúc tác tách nước sinh khí H2 [7]. Hiện nay, phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để tổng hợp được hạt nano bạc là phương pháp khử hóa học. Tuy nhiên, các chất khử hóa chất thường được sử dụng thì rất độc hại, khiến nano bạc không thể ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và dược phẩm. Một số bài nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, trong dịch chiết lá trà có chứa polyphenol, flavonoid và các hợp chất phenolic có thể hoạt động như chất khử trong quá trình tổng hợp các hạt nano kim loại [8]. Sử dụng chiết xuất thực vật làm chất khử, không chỉ an toàn và thân thiện với môi trường, mà còn giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào hóa chất trong sản xuất giúp tăng cường tính bền vững của công nghệ. Trong nghiên cứu này, dịch chiết lá trà xanh được dùng để khử AgNO3 thành AgNPs. AgNPs được kết hợp với vật liệu bán dẫn g-C3N4 dùng trong quá trình sản xuất Hydro xúc tác quang.  Thực nghiệm Hóa chất: Bạc nitrate (AgNO3, 99.9%). Melamine (C3H6N6, 98%) và Natri hydoxide (NaOH) có xuất xứ từ Sigma-Aldrich (Mỹ). Methanol (CH3OH) và Triethanolamine (TEOA: (HOCH2CH2)3N) được mua từ Merck (Đức) với độ tinh khiết >99%.  Chế tạo vật liệu quang xúc tác g-C3N4/Ag: Lá trà xanh tươi được rửa sạch và sấy khô ở 500C trong 24 giờ. Sau đó, xay lá trà thành bột mịn. Thêm 8 g bột lá trà xanh vào 100 mL nước cất, sau đó đun và khuấy ở 800C trong 10 phút. Dịch chiết thu được lọc qua giấy lọc và bảo quản ở nhiệt độ 50C. Cho 10 mL dịch chiết lá trà xanh vào 90 mL dung dịch AgNO3 1 mM, sử dụng dung dịch NaOH 0.1 M để điều chỉnh pH của hỗn hợp dung dịch bằng 8. Hỗn hợp phản ứng được khuấy liên tục ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Sau đó, ly tâm và rửa lại 2 lần với nước cất và ethanol. AgNPs thu được được bảo quản ở nhiệt độ phòng và tránh ánh sáng. Nung melamine (5 g) ở 6500C trong 4 giờ (tốc độ gia nhiệt 20C/phút). Mẫu sau nung thu được là g-C3N4 dạng khối. Thêm 40 mL methanol vào 0.25 g g-C3N4, thực hiện siêu âm trong 3 giờ. Ly tâm và rửa lại 3 lần với nước cất. Sau đó, sấy khô ở 500C trong 12 giờ và nung ở 3500C trong 2 giờ (tốc độ gia nhiệt 20C/phút). Thu được g-C3N4 dạng tấm. Mẫu g-C3N4 dạng tấm được xử lý bề mặt bằng dung dịch NaOH 0.1 M trong 10phút. Sau đó, ly tâm và rửa sạch lại bằng nước cất. Hòa tan 100 mg g-C3N4 dạng tấm với 20 mL nước cất siêu âm trong 1 giờ. Sau đó, nhỏ từ từ 10 mL dung dịch AgNPs 0.927 mM và khuấy 1 giờ trong bóng tối. Ly tâm và sấy khô qua đêm ở 500C. Vật liệu g-C3N4/Ag đã được hình thành. Phân tích đặc tính của nano Ag và g-C3N4/Ag: Phổ UV-vis của dung dịch AgNPS được phân tích trên thiết bị UV-vis, UV-1800 - Shimadzu. Cấu trúc tinh thể của vật liệu được xác định bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD, D8 Advance XRD). Hình thái bề mặt và kích thước hạt nano bạc được phân tích bằng ảnh SEM (SEM –Hitachi SM-4800). Xác định kích thước hạt nano bạc bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động DLS bằng thiết bị SZ-100 (Horiba). Đánh giá khả năng hình thành Hydrogen: Hỗn hợp phản ứng bao gồm 1 mg xúc tác quang, 3 mL nước cất và 0.5 mL TEOA, được đặt trong lọ thủy tinh đậy kín nắp. Sau đó, đưa vào buồng phản ứng quang xúc tác (đèn chiếu sáng công suất 15 W, l =408 nm). Tiến hành chiếu nguồn sáng đến lọ thủy tinh. Hydro sinh ra sẽ được phân tích bằng sắc ký khí (GC Clarus 680-PerkinElmer), sử dụng Ar làm khí mang. Kết quả và thảo luận Xác định cấu trúc tinh thể và tính chất quang học Đỉnh nhiễu xạ (Hình 1a) tại các giá trị 38.18, 44.7, 64.8 tương ứng với các mặt phẳng (111), (200) và (220) lần lượt là cấu trúc lập phương tâm mặt của nano bạc. g-C3N4 có peak nhiễu xạ đặc trưng tại 270, tương ứng với mặt phẳng (002) của cấu trúc graphitic-C3N4. Khi gắn thêm Ag, cường độ peak này giảm đáng kể, cho thấy sự thay đổi cấu trúc tinh thể. Đồng thời, peak mới xuất hiện tại 380, đặc trưng cho Ag0, xác nhận sự hiện diện của bạc trong vật liệu g-C3N4. Sự hình thành của hệ keo nano bạc và hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt được xác nhận bằng phổ UV-Vis (Hình 1b). Kết quả cho thấy, tại vùng bước sóng 320 - 660 nm peak hấp thụ của dung dịch nano bạc, đạt cực đại ở khoảng 440 nm. Là bước sóng có vùng đặc trưng của hạt nano bạc. Kết quả phân tích UV-vis DRS cũng cho thấy g-C3N4/Ag có biên hấp thụ cao hơn g-C3N4 (Hình 1c). Hình 1: Kết quả phân tích XRD (a) và UV-vis (b) - UV-vis DRS (c)     <img alt="Nghiên cứu và chế tạo vật liệu quang xúc tác g-C3N4/Ag ứng dụng trong phản ứng tách nước sinh khí hydro" src="/images/image/image003(37).png" style="width: 800px; height: 450px;" /> Đánh giá hình thái bề mặt và kích thước hạt nano bạc     Dựa trên kết quả phân tích ảnh SEM (Hình 2a) cho thấy, kích thước trung bình của hạt nano bạc khoảng từ 10-60 nm. Hình 2b cho thấy vật liệu g-C3N4/Ag có cấu trúc xốp không đồng nhất, với sự phân bố không đều của các hạt sáng, là các AgNPs. Các hạt này có kích thước khác nhau và xuất hiện rải rác trên bề mặt g-C3N4, cho thấy sự tương tác giữa hai pha vật liệu. Kết quả về sự phân bố kích thước trung bình thể hiện, hạt nano bạc có kích thước là 91.8 nm. Ngoài ra, kết quả đo điện thế Zeta đã chỉ ra dung dịch keo AgNPs có tính ổn định, với điện thế là -37.9 mV. Hình 2: Kết quả phân tích hình thái bề mặt - kích thước của hạt nano bạc (a) và g-C3N4/Ag (b)  <img alt="Nghiên cứu và chế tạo vật liệu quang xúc tác g-C3N4/Ag ứng dụng trong phản ứng tách nước sinh khí hydro" src="/images/image/image004(22).png" style="width: 800px; height: 450px;" /> Đánh giá khả năng hình thành Hydrogen Hình 3 cho thấy, tại chu kỳ đầu tiên, lượng H2 của g-C3N4/Ag đạt được là 126.19 mmol.g-1 tại 180 phút. Trong 2 chu kỳ tiếp theo, có sự giảm nhẹ lần lượt là 109.2 mmol.g-1 và 119.86 mmol.g-1. Sự không ổn định và giảm dần lượng H2 có thể xuất phát từ sự hao hụt chất xúc tác trong quá trình chuẩn bị và rửa ở giữa các chu kỳ. Hình 3: Đánh giá khả năng hình thành Hydrogen <img alt="Nghiên cứu và chế tạo vật liệu quang xúc tác g-C3N4/Ag ứng dụng trong phản ứng tách nước sinh khí hydro" src="/images/image/image005(18).png" style="width: 800px; height: 450px;" /> Kết luận Đã tổng hợp thành công AgNPs bằng cách sử dụng dịch chiết lá trà xanh. Hạt nano bạc có dạng hình cầu, kích thước đạt được từ 10-60 nm. Vật liệu g-C3N4/Ag đã thể hiện hoạt tính quang xúc tác tách nước sinh khí H2 và độ bền xúc tác qua 3 chu kỳ phản ứng liên tục. Lời cảm ơn Nghiên cứu này nhận sự tài trợ của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, mã số NVCC14.01/24-25. Tài liệu tham khảo 1. Katarzyna Bogunia-Kubik, Masanori Sugisaka, “From molecular biology to nanotechnology and nanomedicine,” BioSystems, vol. 65, no. 2, pp. 123-138, 2002; 2. Tamirat Y, “The Role of Nanotechnology in Semiconductor Industry: Review Article,” Journal of Materials Science & Nanotechnology, vol. 5, no. 2, 2017; 3. Vinh Tien Nguyen, “Sunlight-Driven Synthesis of Silver Nanoparticles Using Pomelo Peel Extract and Antibacterial Testing” Journal of Chemistry, 2020(1), 2020; 4. Nguyễn Duy Trường, Đinh Hoàng Tùng Lâm, Trần Văn Trung, Hoàng Tuấn Tú, Phạm Thị Thanh Huyền, “Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát tính chất của cảm biến quang dựa trên màng silic xốp”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 58(3), 45-52, 2020; 5. Chu Mạnh Nhương, Phạm Văn Huấn, Nguyễn Thị Minh Tâm, Lý Thị Vân, Bùi Văn Ly, “Tổng hợp các nano compozit ZrO2/ZnO và ZrO2/CuO pha tạp Ce4+ ứng dụng trong xúc tác quang,” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 225(6), 375-380, 2020; 6. Khiếu Thị Tâm, Nguyễn Thị Kim Ngân, “Tổng hợp xanh nano bạc sử dụng dịch chiết vỏ bưởi để phân hủy quang xúc tác xanh methylene và rhodamine B dưới ánh sáng mặt trời” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 227(8), 375-380, 2022; 7. Yannan Liu, Cheng-Hao Liu, Tushar Debnath, Yong Wang, Darius Pohl, Lucas V. Besteiro, Debora Motta Meira, Shengyun Huang, Fan Yang, Bernd Rellinghaus, Mohamed Chaker, Dmytro F. Perepichka & Dongling Ma, “Silver nanoparticle enhanced metal-organic matrix with interface-engineering for efficient photocatalytic hydrogen evolution” Nature Communications, 541(14), 2023; 8. R.Sathiya Priya, D.Geetha, P.S.Ramesh, “Antioxidant activity of chemically synthesizedAgNPs and biosynthesized Pongamia pinnata leaf extract mediated AgNPs - A comparative study” Ecotoxicology and Environmental Safety, 134(2), 308-318, 2016. NGUYỄN LINH CHI1  NGUYỄN MANH TUẤN2, NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG2* 1 Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) 2 Viện Cơ học và Tin học Ứng dụng, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường Kỳ 1 tháng 3 năm 2025