LUẬN văn tốt NGHIỆP NGHIÊN cứu TỔNG hợp vật LIỆU nife2o4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG làm vật LIỆU QUANG xúc tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN KỸ THUẬT VÔ CƠ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NiFe2O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC GVHD: PGS.TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ ThS NGUYỄN TRƯƠNG XUÂN MINH SVTH : PHAN THANH SƠN MSSV : 61203180 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2016 i LỜI CẢM ƠN Sau trình học Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, mang đến cho tơi kiến thức kinh nghiệm sống q báu, hành trang mà tơi mang theo để tiếp chặng đường Đến hôm nay, hoàn thành xong Luận văn Tốt nghiệp mình, tơi cảm thấy vinh dự tự hào Để có thành ngày hơm nay, xin gửi lời biết ơn chân thành sâu sắc đến người hết lịng giúp đỡ, động viên suốt thời gian qua Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ ThS Nguyễn Trương Xuân Minh – hai Thầy, Cô trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện suốt trình thực luận văn, giúp nâng cao kiến thức chuyên ngành lẫn kinh nghiệm sống Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới anh chị bạn Phịng thí nghiệm Kỹ Thuật Hóa Vơ Cơ Mọi người giúp đỡ, tận tình chia sẻ kiến thức kinh nghiệm để tơi hồn thành tốt đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vô cơ, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh… tạo điều kiện thuận lợi giúp trình thực luận văn Cuối tơi xin kính chúc người ln mạnh khỏe, may mắn thành cơng sống Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2016 Tác giả Luận văn Phan Thanh Sơn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH SÁCH BẢNG .vi DANH SÁCH HÌNH vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu Ferrite .3 1.1.1 Lịch sử hình thành 1.1.2 Cấu trúc vật liệu Ferrite [4,5] 1.1.3 Cấu trúc tinh thể NiFe2O4 1.1.4 Ứng dụng vật liệu NiFe2O4 1.2 Tổng quan quang xúc tác .9 1.3 Các phương pháp tổng hợp NiFe2O4 13 1.3.1 Phương pháp sol – gel 13 1.3.2 Phương pháp thủy nhiệt 15 1.3.3 Phương pháp đồng kết tủa 16 1.3.4 Phương pháp đốt cháy 16 1.3.5 Phương pháp vi nhũ tương 16 1.3.6 Phương pháp tẩm 17 1.4 Đặt vấn đề 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.1 Tổng hợp nano NiFe2O4 phương pháp sol-gel .18 2.1.1 Quy trình tổng hợp 18 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng 19 2.2 Cơ chế phân hủy Methylene Blue (MB) 19 2.3 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 21 2.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt 21 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 22 2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24 2.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ electron (UV-VIS) 25 2.3.3 Phương pháp khảo sát khả quang xúc tác NiFe2O4 26 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 28 3.1 Mục tiêu luận văn .28 ii 3.2 Hóa chất dụng cụ 28 3.2.1 Hóa chất 28 3.2.2 Chuẩn bị dụng cụ thiết bị 28 3.3 Chuẩn bị dung dịch 29 3.4 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp vật liệu 31 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35 4.1 Ảnh hưởng hàm lượng chất hữu cho 35 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung 36 4.3 Ảnh hưởng thời gian nung 39 4.4 Kết SEM 41 4.5 Khảo sát xúc tác quang hóa vật liệu 41 4.5.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Metylen blue 41 4.5.2 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất phân hủy Metylen Blue 42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 5.1.Kết Luận 45 5.2 Kiến nghị 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 48 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp phương pháp sol-gel với có mặt Acid citric (CA) Ethylene glycol (EG) Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp thời gian sol-gel, thời gian nung, tỷ lệ chất hữu cơ, tỷ lệ mol tác chất, nhiệt độ nung, Trong luận văn có hai yếu tố khảo sát là: Thời gian nung nhiệt độ nung Kích thước hình dạng hạt nano NiFe2O4 khảo sát phương pháp phân tích đại phân tích nhiệt (TGA), nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết cho thấy tỷ lệ chất hữu cho vào ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tác chất, đồng thời tăng đến nhiệt độ thời gian nung thích hợp xuất rõ nét peak đặc trưng vật liệu NiFe2O4 Mẫu nung nhiệt độ 750oC giờ, tỷ lệ mol CA:EG = 6:3 cho kích thước hạt nhỏ nhất, mẫu tồn tạp chất Đây hạn chế luận văn Sản phẩm NiFe2O4 định hướng ứng dụng vào xúc tác quang, phân hủy nước tạo sản phẩm Hydro ứng dụng sản xuất Pin nhiên liệu (Fuel Cell) Mẫu nung nhiệt độ 750oC giờ, tỷ lệ mol CA:EG = 6:3 khảo sát khả phân hủy Methylene Blue (MB) 50ppm, có chiếu xạ Kết nhận ngồi mong đợi: Trong vịng 180 phút, hiệu suất phân hủy đạt lên đến 99,48% Ngồi q trình thực nghiệm nhận thấy vật liệu có khả phân hủy MB tối Đây điểm đáng ý, cần khai thác nghiên cứu ứng dụng iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ nguyên gốc MB Methylene Blue NF Niken Ferrite (NiFe2O4) SEM Seaning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) VLHP Vật liệu hấp phụ XRD X-Ray Difraction (Nhiễu xạ tia X) CA Acid citric EG Ethylene Glycol v DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Hiệu suất thông số phân hủy Methylene Blue 20 Bảng 3.1 Tổ hợp ký hiệu thí nghiệm cần khảo sát 33 Bảng 4.1 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Metylen blue 41 Bảng 4.2 Hiệu suất phân hủy metylen blue theo thời gian chiếu xạ 43 vi DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh hốc T hốc O tinh thể spinel……………………… Hình 1.2 Cấu trúc lập phương tế bào Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể ferrite spinel Hình 1.4 Nam châm ferrite ứng dụng nhiều công nghệ chế tạo máy Hình 1.5: Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn 12 Hình 1.6 Sơ đồ chung phương pháp sol – gel điều chế vật liệu nano 14 Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt quy trình điều chế hạt nano NiFe2O4 18 Hình 2.2 Cấu trúc phân tử Methylene Blue 19 Hình 2.3 Nhiễu xạ tia X 22 Hình 2.4 Thiết bị phân tích XRD: D8 Advance - Bruker 23 Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét 24 Hình 2.6 Thiết bị đo khả quang xúc tác 26 Hình 2.7 Hệ thống đo quang xúc tác vật liệu NiFe2O4 27 Hình 3.1 Cối nghiền (a), bi nghiền zirconia 5mm (b) 29 Hình 3.2 Dung dịch Ni(NO3)2 30 Hình 3.3 Dung dịch MB theo thứ tự nồng độ giảm dần 50, 40, 30, 20, 10ppm 31 Hình 3.4 Giản đồ nhiệt Gel 32 Hình 3.5 Mẫu sau NiFe2O4 sau nung 34 Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu R21 35 Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu NF63 36 Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X 2h 37 Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X 2h 37 Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X 2h 38 Hình 4.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X 650oC 39 Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X 750oC 39 Hình 4.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X 850oC 40 Hình 4.8 Ảnh SEM mẫu điều chế điều kiện tối ưu 41 Bảng 4.1 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Metylen blue 41 vii Hình 4.9 Đường chuẩn xác định nồng độ Metylen Blue 42 Hình 4.10 Các MB mẫu thu thời điểm khác 43 Bảng 4.2 Hiệu suất phân hủy metylen blue theo thời gian chiếu xạ 43 Hình 4.11 Hiệu suất phân hủy MB theo thời gian chiếu xạ 44 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 6500C – 2h 48 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 6500C – 3h 48 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 6500C – 4h 49 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 7500C – 2h 49 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 7500C – 3h 49 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 7500C – 4h 50 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 8500C – 2h 50 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 8500C – 3h 51 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung 8500C – 4h 51 viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu Ferrite 1.1.1 Lịch sử hình thành Các vật liệu ferrite biết đến sử dụng nhiều kỉ Ferrite tìm thấy sử dụng rộng rãi Fe3O4 Ngay từ đầu kỉ 12, người Trung Quốc sử dụng Fe3O4 la bàn để định hướng Nhưng phải đến năm 1930, nghiên cứu tiến hành nhằm xác định tính chất điện từ trường ferrite ứng dụng thực tế Sau đó, ferrite nghiên cứu rộng rãi nhiều nhà khoa hoc Ferrite có điện trở cao, điện mơi thấp, độ bão hịa từ hóa cao, độ thẩm thấu cao Các tính chất ferrite thay đổi rộng theo thành phần, điều kiện tổng hợp, hàm lượng tạp chất… chúng có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Tinh thể ferrite kích thước nano có ứng dụng lĩnh vực định hướng cho trình vận chuyển dược phẩm thể, chụp công hưởng từ (MRI), chất xúc tác, quang xúc tác, cảm biến khí, cảm biến độ ẩm, chất lỏng từ tính… [1,2] 1.1.2 Cấu trúc vật liệu Ferrite [4,5] Ferrite nhóm ceramic có chứa Fe2O3 Ferrite có cấu trúc spinel, garnet magneto-plumbite  Ferrite cấu trúc spinel Ferrite cấu trúc spinel có cơng thức chung AFe2O4 Một số ferrite có cấu trúc spinel thơng thường ZnFe2O4, CdFe2O4 phần lớn có cấu trúc spinel nghịch NiFe2O4, CoFe2O4, FeFe2O4 Ferrite có cấu trúc hỗn hợp bao 2+ 3+ gồm cấu trúc spinel thuận nghịch với công thức [𝐴1−𝛿 𝐹𝑒𝛿3+ ][𝐴2+ 𝛿 𝐹𝑒2𝛿 ]𝑂4 , δ độ nghịch Spinel Ferrite NiFe2O4 Spinel đại diện cho loạt hợp chất có cơng thức tổng qt AB2O4 Trong A cation hóa trị II B cation hóa trị III Mạng lưới spinel gồm ion oxi gém đặc lập phương mặt tám, cation A2+ B3+ xếp vào hốc ... bắt xu đó, kết hợp với điều kiện có phịng thí nghiệm Luận văn tập trung ? ?Nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu NiFe2O4 phương sol- gel, định hướng ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác? ?? 17 CHƯƠNG... 1.1.4 Ứng dụng vật liệu NiFe2O4 1.2 Tổng quan quang xúc tác .9 1.3 Các phương pháp tổng hợp NiFe2O4 13 1.3.1 Phương pháp sol – gel 13 1.3.2 Phương pháp thủy... nay, có nhiều phương pháp khác để tổng hợp vật liệu nano Ngoài phương pháp đơn giản phương pháp phản ứng pha rắn (phương pháp gốm), phương pháp nghiền, … cịn có phương pháp vật lý phun tạo màng,