1. KIẾN TẬP HỆ XÚC TÁC QUANG HÓA
Nguyên tắc :
➢ Nguyên cứu hoạt tính quang hóa của TiO2 dưới bức xạ cực tím thông qua phản ứng phân hủy
thuốc nhuộm xanh methylene (MB)
➢ Sử dụng phương pháp trắc quang UV-Vis để theo dõi sự thay đổi nồng độ của BM
GIỚ THIỆU
I
1. Khái niệm về quang hóa xúc tác
Quang hóa xúc tác là thuật ngữ chung để chỉ hai giai đoạn Quang hóa học và Xúc tác, bao gồm
những quá trình tận dụng ánh sáng và xúc tác để khơi màu phản ứng. Ánh sáng sẽ được hấp thu bởi
xúc tác hoặc bởi một phức chất chuyển dị ch điện tử được tạo thành từ chất nền và xúc tác.
Một trong những xúc tác quang hóa được nghiên cứu nhiều nhất là titan oxide, chất được sử dụng rất
phổ biến trong các hệ thống xúc tác quang hóa trong nhà và ngoài trời.
2. TiO2 và những ứng dụng
Trong tự nhiên, TiO2 tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau : anatase, rutile và brookite. Cấu
trúc của những oxide này được tạo thành từ các bát diện lệch TiO6, liên kết với nhau thông qua các
cạnh và đỉ nh dùng chung.
TiO2 được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Hợp chất này được biết đến rộng rãi lần đầu tiên vào
đầu thế kỷ 20 khi được dùng làm thành phần chính của bột màu trắng. Bột màu TiO2 rất được ưa
chuộng do hệ số phản xạ cao, không độc tính và có thể phân tán dễ dàng trong nhiều môi trường
khác nhau. Bên cạnh đó, cũng như các oxyde của các kim loại xuất phát từ phân nhóm 4 trong bảng
phân loại tuần hoàn, TiO2 là một chất bán dẫn. Nó có thể được ứng dụng trong việc chế tạo các đầu
dò nhiệt nhờ vào khả năng thay đổi độ dẫn điện theo hàm lượng khí hấp phụ trên bề mặt.
Trong lĩnh vực xúc tác, TiO2 thường được sử dụng như một chất mang cho các hệ thống xúc tác dị thể
kim loại/oxide. Ví dụ : V/TiO2 hoặc V2O5/TiO2 được dùng trong các phản ứng oxy hóa chọn lọc.
Tuy nhiên, ứng dụng thu hút nhất của TiO2 chính là khả năng quang hóa xúc tác. Oxide này có hoạt
tính quang hóa xúc tác đủ để khơi màu cho rất nhiều phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới kích
thích của ánh sáng cực tím. Tính chất này giúp cho TiO2 trở nên phù hợp với các ứng dụng xử lý môi
trường hiện nay như làm sạch các dòng nước ô nhiễm, loại bỏ mùi, các chất khí ô nhiễm. Quang hóa
xúc tác có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các kỹ thuật thường dùng để xử lý nước và khí (kết tủa,
hấp phụ trên cacbon hoạt tính, khử chọn lọc không xúc tác, xử lý sinh học...). Xúc tác quang hóa
TiO2¬ có khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng,tận dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng
nhân tạo. Hệ thống này không cần bất cứ tác nhân oxy hóa bên ngoài (O3, NH3, H2O2). Ngoài ra,
titan oxide rất bền, không độc, giá thành rẻ. Những ưu điểm này cho phép TiO2 được sử dụng, dưới
dạng bột mị n phân tán trong nước, hoặc dưới dạng màng oxide mỏng phủ lên trên một chất mang,
ví dụ như những lớp phủ trên các vật liệu ở ngoài trời hay trong các tòa nhà.
3. Cơ chế xúc tác quang hóa của TiO2
Quá trình xúc tác quang hóa của TiO2 có thể được chia ra làm ba giai đoạn chính :
a. Hình thành các cặp electron và lổ trống dương điện : TiO2 là chất bán dẫn có cấu trúc điện tử với 1
vùng cấm xen giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Khi TiO2 được chiếu sáng bằng những photon có năng
lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm, các electron trong vùng dẫn sẽ bị kích thích, nhảy
lên vùng dẫn, hình thành nên các lỗ trống tích điện dương.
b. Phân chia và Dị ch chuyển các phần tử quang sinh mang điện này lên trên bề mặt của xúc tác
c. Phản ứng oxy hóa – khử : khi các phần tử mang điện di chuyển trên bề mặt của xúc tác, chúng có
thể phản ứng với các chất hấp phụ có thể cho (ví dụ H2O, OH-) hoặc nhận điện tử (O2), dẫn đến các
phản ứng oxy hóa và khử. Trong dung dị ch nước, các lỗ trống sẽ tương tác với các chất cho điện tử

2. như H2O, OH- và các phân tử hữu cơ R để hình thành các gốc hydroxyl OH● và gốc R●.
H2O + h+ H+ + OH●
OH- + h+ OH●
R + h+ R●
Các electron tương tác với các chất nhận điện tử như O2 để hình thành các gốc tự do superoxide.
e- + O2 O2-
Những tiểu phân vừa được sinh ra này (OH●, R●, O2-) rất hoạt động, có thể oxy hóa hoàn toàn các
chất hữu cơ hấp phụ lên trên bề mặt cho đến CO2 và H2O.
4. Giới thiệu methylene xanh và phương pháp trắc quang
Methylene xanh (MB) là một hợp chất hương phương có công thức phân tử là C16H18ClN3S, được sử
dụng trong rất nhiều lĩnh vực, nhất là trong sinh học và hóa học. Ởnhiệt độ bình thường, nó ở dạng
bột, không mùi và sẽ tạo thành một dung dị ch màu xanh khi hòa tan vào nước.
Công thức hóa học của methylen xanh
Trong bài kiến tập này, methylene xanh được xem như một hợp chất ô nhiễm VOC trong nước để
khảo sát hoạt tính quang hóa của TiO2.
Phương pháp trắc quang được sử dụng để xác đị nh nồng độ của dung dị ch methylene xanh trong
quá trình phân hủy quang hóa xúc tác. Nguyên tắc chính của phương pháp này dựa trên sự thay đổi
của độ hấp thu quang theo nồng độ của BM bằng cách chiếu một chùm tia có bước sóng xác đị nh
đến dung dị ch phân tích.
BM là một thuốc nhuộm có độ hấp thu màu tỉ lệ thuận với nồng độ của dung dị ch. Bước sóng được
chọn là _____ nm, bước sóng mà BM hấp thu cực đại. Vì vậy nhờ vào sự thay đổi độ hấp thu quang,
chúng ta có thể xác đị nh chính xác nông độ của dung dị ch BM phân tích.
Thực nghiệm :
5. Khảo sát hoạt tính của xúc tác quang hóa TiO2
➢ Chuẩn bị 250 mL dung dị ch MB 10-5 M, rót vào becher 1 L
➢ Cân 0,125 g TiO2, đổ vào dung dị ch BM để thu một dung dị ch huyền phù
➢ Đánh siêu âm hệ huyền phù vừa chuẩn bị trong 10 phút
➢ Đặt becher vào hệ phản ứng quang hóa, khuấy từ liên tục trong vòng 30 phút
• Rút 10 mL dung dị ch huyền phù sau 30 phút, ly tâm trong vòng 10 phút
• Xác đị nh mật độ quang bằng phương pháp trắc quang ở _____ nm, từ đó suy ra nồng độ của dung
dị ch dựa trên đường chuẩn dựng sẵn
Dựng đường chuẩn
Độ hấp thu A
Nồng độ (M)
Phương trình đường chuẩn ___________________________________
➢ Chiếu sáng dung dị ch huyền phù dưới ánh sáng UV 350 nm trong 2 h, khuấy trộn liên tục
• Rút 10 mL huyền phù mỗi 30 một lần, ly tâm trong 10 phút
• Xác đị nh biến thiên nồng độ của dung dị ch BM theo thời gian bằng phương pháp trắc quang
Thời gian (h) 0 0,5 1,0 1,5 2,0
Độ hấp thu A
Nồng độ (M)

3. ➢ Từ những kết quả trên, dựng đường Ln(C/Co) theo thời gian. Sau đó, xác đị nh hệ số góc của đường
thẳng, đây chính là hằng số vận tốc của phản ứng phân hủy MB trong sự hiện diện của TiO2
Thời gian (h) 0 0,5 1,0 1,5 2,0
Ln (C/Co)
k = ……………………