Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ag go và ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu cơ trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU AG-GO VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC PHẢN ỨNG PHÂN HỦY CHẤT MÀU HỮU CƠ TRONG NƯỚC GVHD: TRẦN THỊ NHUNG SVTH: HOÀNG VĂN HÙNG MSSV: 15128030 SKL 0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU AG-GO VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC PHẢN ỨNG PHÂN HỦY CHẤT MÀU HỮU CƠ TRONG NƯỚC Mã số khóa luận: VC.19.07 SVTH: HỒNG VĂN HÙNG MSSV: 15128030 GVHD: TS TRẦN THỊ NHUNG Tp Hồ Chí Minh, 22 tháng 07 năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HÓA HỌC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: HOÀNG VĂN HÙNG MSSV: 15128030 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học Chun ngành: Hóa vơ - Silicate Tên khóa luận: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước Nhiệm vụ khóa luận: Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu Ag-GO phương pháp khử hóa học, khảo sát kích thước, độ bền hoạt tính xúc tác vật liệu phản ứng phân hủy chất màu hữu nước Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: Ngày 01 tháng 02 năm 2019 Ngày hồn thành khóa luận:Ngày 20 tháng 07 năm 2019 Họ tên người hướng dẫn: TS Trần Thị Nhung Nội dung hướng dẫn: Toàn luận văn Nội dung yêu cầu khóa luận tốt nghiệp thơng qua Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học Tp.HCM, ngày TRƯỞNG BỘ MÔN tháng năm 2019 NGƯỜI HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Thị Nhung, giảng viên Khoa Công nghệ Hóa Học Thực phẩm, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, người đưa đề tài nghiên cứu giúp đỡ tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn đến khoa Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM tạo điều kiện cho tơi suốt q trình làm thí nghiệm cho đề tài nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn đến tồn giảng viên ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học, bạn bè gia đình giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu hướng dẫn giáo viên hướng dẫn, không trùng lặp với luận văn nghiên cứu khác Các số liệu kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực khách quan Tôi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tp Hồ Chí Minh, 22 tháng 07 năm 2019 SVTH ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC HÌNH .vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii TÓM TẮT viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu nano kim loại 1.1.1 Đặc điểm tính chất 1.1.2 Ứng dụng vật liệu nano kim loại 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp nano kim loại .4 1.2 Tổng quan hạt nano bạc 1.2.1 Đặc điểm, tính chất ứng dụng .6 1.2.2 Các phương pháp tổng hợp nano bạc 1.3 Tổng quan graphene oxide (GO) .8 1.3.1 Cấu trúc, tính chất ứng dụng .8 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp graphene oxide 10 1.4 Vật liệu nanocomposite Ag-GO ứng dụng 10 1.4.1 Giới thiệu vật liệu nanocomposite 10 iii 1.4.2 Những vật liệu nanocomposite Ag-GO tổng hợp 10 1.5 Chất màu hữu cơ: methylene blue (MB) 11 1.5.1 Khái quát chung 11 1.5.2 Các phương pháp phân hủy chất màu hữu 13 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 15 2.2 Quy trình thí nghiệm 15 2.2.1 Chuẩn bị dụng cụ 15 2.2.2 Xây dựng quy trình tổng hợp hạt nanocomposite Ag-GO 15 2.2.3 Khảo sát tỷ lệ AgNO3:GO .17 2.2.4 Tổng hợp hạt nano bạc phương pháp citrate 19 2.2.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác phản ứng phân hủy MB .20 2.2.6 Khảo sát độ bền hạt nanocomposite Ag-GO 21 2.3 Các phương pháp phân tích vật liệu .22 2.3.1 Phân tích hình dạng cấu trúc tinh thể 22 2.3.2 Phân tích đặc điểm, tính chất 23 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 24 3.1 Vật liệu nanocomposite Ag-GO 24 3.1.1 Xây dựng quy trình tổng hợp 24 3.1.2 Đặc điểm tính chất vật liệu nanocomposite Ag-GO .25 3.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ AgNO3:GO 28 iv 3.2 Hạt nano bạc tổng hợp phương pháp citrate .30 3.3 Đánh giá khả xúc tác phản ứng phân hủy MB vật liệu .31 3.3.1 So sánh hoạt tính xúc tác mẫu Ag-GO-500 với mẫu so sánh Ag-citrate 31 3.3.2 Hoạt tính xúc tác mẫu Ag-GO-375 Ag-GO-700 33 3.4 Kết khảo sát độ bền vật liệu Ag-GO .34 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo graphene, graphene oxide reduced graphene oxide Hình 1.2 Cấu tạo graphene oxide nhóm chức Hình 1.3 Cấu trúc hóa học nhóm màu a) Azo, b) Anthraquinone, c) Triarylmethane, d) Phthalocyanine .12 Hình 1.4 Cấu trúc hóa học Mehtylene blue 13 Hình 3.1 Phổ UV-Vis mẫu Ag-GO quy trình khác 24 Hình 3.2 Phổ UV-Vis mẫu Ag-GO .26 Hình 3.3 Ảnh a) SEM b) TEM mẫu Ag-GO 26 Hình 3.4 Phổ XRD GO mẫu Ag-GO 27 Hình 3.5 Phổ FT-IR GO mẫu Ag-GO 28 Hình 3.6 Phổ UV-Vis mẫu Ag-GO với tỷ lệ AgNO3:GO khác .29 Hình 3.7 Ảnh TEM mẫu a) Ag-GO (375), b) Ag-GO (500), c) Ag-GO (700) 30 Hình 3.8 Phổ UV-Vis mẫu Ag-citrate 31 Hình 3.9 Phổ Uv-Vis đánh giá khả xúc tác mẫu Ag-GO-500 Ag-citrate 32 Hình 3.10 Phổ UV-Vis đánh giá khả xúc tác phản ứng phân hủy mẫu AgGO 33 Hình 3.11 Phổ UV-Vis mẫu Ag-GO qua centrifugation theo thời gian 35 Hình 3.12 Phổ UV-Vis mẫu Ag-GO không centrifugation theo thời gian .35 vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GO Graphene oxide MB Methylene blue Ag-GO Vật liệu nanocomposite bạc graphene oxide Ag-GO-nhanh Mẫu Ag-GO với chất khử thêm nhanh vào dung dịch Ag-GO-cham Mẫu Ag-GO với chất khử thêm chậm vào dung dịch Ag-GO (375) Mẫu Ag-GO với lượng AgNO3 375L Ag-GO (500) Mẫu Ag-GO với lượng AgNO3 500L Ag-GO (700) Mẫu Ag-GO với lượng AgNO3 700L Ag-citrate Hạt nano bạc tổng hợp phương pháp citrate UV-Vis Quang phổ hấp thụ TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét FT-IR Quang phổ hồng ngoại XRD Nhiễu xạ tia X vii TÓM TẮT Với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước”, khóa luận tốt nghiệp tập trung vào việc tổng hợp vật liệu nanocomposite hạt nano bạc graphene oxide ứng dụng xúc tác cho phản ứng phân hủy methylene blue (MB) Chúng tiến hành khảo sát quy trình tổng hợp vật liệu khác bao gồm: quy trình tổng hợp Ag-GO qua hai bước quy trình tổng hợp qua bước Kết cho thấy hạt nanocomposite Ag-GO tạo thành qua phương pháp bước chất khử thêm vào nhanh phương pháp tổng hợp tối ưu Hạt nanocomposite Ag-GO sau tiến hành đo đạc hình dạng, cấu trúc tinh thể tính chất quang học phương pháp: kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại (FT-IR) quang phổ hấp thụ (UV-Vis) Vật liệu nanocomposite Ag-GO có hạt nano bạc có kích thước 40 – 70nm phân bố đồng GO Quang phổ hấp thụ nằm khoảng 405 – 410nm, tương ứng với phổ hấp thụ hạt nano bạc Các đo đạc độ bền cho thấy hạt nano bạc GO bền thời gian dài (1 tháng), hạt nano bạc không bị kết tụ Vật liệu nanocomposite Ag-GO với hàm lượng AgNO3 phản ứng 375L, 500L 700L khảo sát, kết cho thấy mẫu Ag-GO (500) cho hạt bạc có kích thước đồng đều, kích thước 40 – 70nm phân bố GO Sau chúng tơi tiến hành đo hoạt tính xúc tác Ag-GO với hàm lượng AgNO3 khác cho phản ứng phân hủy MB sử dụng NaBH4 Hạt nano Ag tổng hợp phương pháp citrate sử dụng làm mẫu đối chiếu Kết cho thấy mẫu Ag-GO (500) có hoạt tính xúc tác tốt mẫu Ag-GO gấp đôi so với mẫu đối chiếu Ag-citrate viii MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, hợp chất hóa học trở thành ngun nhân gây nhiễm môi trường nước, đặc biệt chất thải nhuộm không qua xử lý mà thẳng môi trường Các chất màu hữu methylene blue (MB), methyl orange (MO), 4nitrophenol, rhodamine B,… có hại môi trường việc xử lý chúng cách nhanh chóng vấn đề thách thức với nhà khoa học [1] Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển xúc tác thân thiện với môi trường có khả phân hủy hợp chất hữu nhanh với hiệu suất cao Những thành tựu gần khoa học công nghệ vật liệu đưa công nghệ nano trở thành công nghệ bật bậc kỷ XXI, giúp cải tiến phát triển sản phẩm quy trình cơng nghiệp Trong đó, hạt nano kim loại (như Ag, Au, Pt, Cu, Zn ) nghiên cứu nhiều nhờ đặc tính bật chúng so với kim loại khối hữu dụng nhiều lĩnh vực khác [2] Với diện tích bề mặt riêng lớn tính chất đặc biệt khả cộng hưởng plasmon bề mặt, khả kháng khuẩn, hạt nano kim loại thể hoạt tính xúc tác cao nhờ vào hiệu ứng kích thước, hiệu ứng bề mặt hiệu ứng lượng tử vật liệu nano Hạt nano bạc biết tới nhiều ứng dụng diệt khuẩn, xúc tác phản ứng, xử lý môi trường lĩnh vực điện tử sinh học khác Hạt nano bạc có đặc tính hóa lý đặc biệt như: Hoạt tính xúc tác hạt nano bạc kiểm soát dễ dàng kích thước, hình dạng; hạt nano bạc thể độc tính tương đối thấp với thể người Ngồi ra, kim loại bạc có giá thành tương đối thấp, nhỏ 1/50 so với Vàng (Au) Platin (Pt), khoảng 1/25 so với Paladi (Pd) [3] Tất điều làm cho việc tổng hợp vật liệu dựa hạt nano kim loại bạc thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu thời gian gần Hiện nay, có nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano bạc sử chiếu xạ siêu âm, chiếu xạ vi sóng, điều chế quang hóa, khử hóa học,…[4] Trong đó, phương pháp khử hóa học với chất khử ascorbic acid, ethylene glycol, natri benzoate, NaBH4,… dùng phương pháp đơn giản hiệu Tuy nhiên, hạt nano bạc thường không bền dung dịch dễ bị kết tụ lại với nhau, làm giảm hoạt tính xúc tác phản ứng vật liệu Graphene oxide (GO) với đặc tính diện tích bề mặt lớn, độ ổn định hóa học cao, bề mặt dễ hấp thụ cố định hạt nano kim loại GO đóng vai trị chất hạt nano bạc gắn lên tạo thành vật liệu nanocomposite, giúp cho hạt bạc bền không bị kết tụ [5] Với lý trên, đề tài luận văn “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước” hình thành Mục tiêu đề tài nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu Ag-GO phương pháp khử hóa học, khảo sát kích thước, độ bền hoạt tính xúc tác vật liệu phản ứng phân hủy chất màu hữu nước CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu nano kim loại 1.1.1 Đặc điểm tính chất Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tính chất vật liệu kích thước nano so với tính chất chúng quy mô lớn Công nghệ nano ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước quy mơ nanomét (1nm = 10-9m) Công nghệ nano thường dựa nghiên cứu khoa học nano, ranh giới khoa học nano công nghệ nano không rõ ràng, nhiên nghiên cứu vật liệu nano Vật liệu nano tảng khoa học nano công nghệ nano, định nghĩa vật liệu mà cấu trúc có kích thước chiều nhỏ 100nm Ở cấp độ nano, vật liệu hoạt động khác so với quy mô lớn hơn, hạt nano thường có tính chất vật lý, hóa học điện tử độc đáo Các tính chất điện tử, quang học, hoạt động xúc tác từ tính hạt nano khác so với vật liệu khối chúng Bằng cách tăng diện tích bề mặt hạt so với khối lượng thay đổi đặc tính hạt tương tác so với mơi trường xung quanh [6] Vật liệu nano vật liệu khối khác hai hiệu ứng sau: Hiệu ứng bề mặt hiệu ứng lượng tử Hai yếu tố thay đổi tính chất vật liệu khả phản ứng, lượng đặc tính điện tử bề mặt Ở kích thước nano, diện tích bề mặt vật liệu tăng lên nhiều lần giúp cho khả tiếp xúc vật liệu với chất phản ứng tăng lên, làm tăng khả xúc tác vật liệu [7] 1.1.2 Ứng dụng vật liệu nano kim loại Vật liệu nano kim loại mảng quan trọng ngành công nghệ nano giới thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Kim loại (như vàng, bạc, sắt, đồng, kẽm) kích thước nano có tính chất đặc biệt quang học, điện, từ, nhiệt ứng dụng nhiều lĩnh vực sống bao gồm lượng, thiết bị điện tử, y tế, sinh học, xúc tác hóa học,… Ví dụ, lĩnh vực lượng, nano oxit kim loại vào pin Li-ion nhằm tăng cường khả lưu trữ tốc độ xử lý Pin Li-ion với điện cực nano kim loại Co, Ni, Cu hay Fe có cơng suất điện lên tới 700 mAh/g, trì cơng suất 100% 100 chu kỳ với tốc độ nạp cao [8] Trong lĩnh vực y tế, gần người ta phát nhiều ứng dụng hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư Trong đó, hạt nano vàng kích thích ánh sáng laser xung, tượng hấp thụ cộng hưởng plasmon mà hạt nano dao động trở nên nóng bỏng, có lên đến nhiệt độ cao nhiệt độ nóng chảy vàng Q trình tăng nhiệt gây sóng xung kích (shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư đường kính hàng m [9] Trong lĩnh vực điện tử, công nghệ nano góp phần đáng kể cho tiến lớn lĩnh vực máy tính điện tử, dẫn đến hệ thống di động nhanh hơn, nhỏ nhiều quản lý lưu trữ lượng thơng tin lớn Có thể kể đến số sản phẩm bổi bật như: Các bóng bán dẫn, công tắc cho phép tất máy tính đại, trở nên nhỏ nhỏ thơng qua cơng nghệ nano; Các hình tivi có độ phân giải cực cao bán sử dụng dấu chấm lượng tử để tạo màu sắc rực rỡ sử dụng lượng hiệu hơn… Trong lĩnh vực xúc tác, hạt nano kim loại sử dụng rộng rãi phản ứng hóa học với việc giảm lượng hoạt hóa, diện tích bề mặt độ ổn định Rất nhiều nghiên cứu cấu trúc nano kim loại để phát triển hoạt tính xúc tác, giảm giá thành khả tái chế tốt 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp nano kim loại Các hạt nano kim loại tổng hợp dựa theo phương pháp khác nhau, tùy theo mục đích sử dụng yêu cầu kỹ thuật Các phương pháp tổng hợp chia thành nhóm phương pháp Top – Down (trên xuống dưới) phương pháp Bottom – Up (dưới lên trên) 1.1.3.1 Phương pháp Top – Down Phương pháp Top – Down có nghĩa chia nhỏ hệ thống lớn để tạo đơn vị nhỏ có kích thước nanomet Ngun lý phương pháp dùng kỹ thuật vật lý nghiền hay biến dạng để vật liệu thể khối với cấu trúc thơ trở thành cỡ hạt có kích thước nano Phương pháp chia thành loại chính: Phương pháp nghiền, phương pháp biến dạng phương pháp quang khắc Phương pháp đơn giản hiệu rẻ tiền, tiến hành cho nhiều loại vật liệu có kích thước lớn tính đồng vật liệu khơng cao tạo lượng phế thải lớn 1.1.3.2 Phương pháp Bottom – Up Nguyên lý phương pháp hình thành vật liệu có kích thước nano từ nguyên tử ion Phương pháp có ưu điểm tổng hợp vật liệu có kích thước nano, thuận tiện quy mơ phịng thí nghiệm, nhiên u cầu phải có trình độ khoa học cao Bao gồm nhiều phương pháp nhỏ khác như: Phương pháp sol-gel, phương pháp lắng đọng pha hơi, phương pháp hồ quang plasma, phương pháp mạ điện, phương pháp khử sinh học,… Trong bật phương pháp sol-gel, thường dùng để chế tạo vật liệu nano điển hình oxit kim loại Phương pháp từ phân tử huyền dạng keo rắn chất lỏng để tạo thành mạng lưới liên tục dựa tảng pha rắn thơng qua phản ứng hóa học Các giai đoạn phương pháp sol-gel là: Thủy phân – ngưng tụ  Gel hóa  Định hình  Sấy  Thiêu kết S K L 0 ... Silicate Tên khóa luận: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước Nhiệm vụ khóa luận: Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu Ag-GO phương pháp khử... vii TÓM TẮT Với đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước? ??, khóa luận tốt nghiệp tập trung vào việc tổng hợp vật liệu nanocomposite hạt... thành vật liệu nanocomposite, giúp cho hạt bạc bền không bị kết tụ [5] Với lý trên, đề tài luận văn ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-GO ứng dụng làm xúc tác phản ứng phân hủy chất màu hữu nước? ??