Nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit pha tạp bạc trên cơ sở graphene aerogel để quang phân hủy chất màu hữu cơ trong nước

IăH CăQU CăGIAăTP.ăH ăCHệăMINH TR NGă IăH CăBÁCHăKHOA -o0o - INHăNG CăTRINH NGHIểNăC UăT NGăH PăV TăLI UăTITANăDIOXITă PHAăT PăB CăTRểNăC ăS ăGRAPHENEăAEROGELă ăQUANGăPHỂNăH YăCH TăMÀUăH UăC ăTRONGăN Că SYNTHESIS OF GRAPHENE AEROGEL-BASED SILVER-DOPED TITANIUM DIOXIDE FOR PHOTODEGRADATION OF ORGANIC DYE IN AQUEOUS SOLUTION ChuyênăngƠnh:ăK ăTHU TăHịAăH C Mưăs :ă8.52.03.01 LU NăV N TH CăS TP.ăH ăCHệăMINH, THÁNGă07ăN Mă2022 Cơng trình đ Cán b h c hồn thành t i: Tr ngă i H c Bách Khoa ậ HQGăậ HCM ng d n khoa h c: PGS TS Nguy n H u Hi u Cán b ch m nh n xét 1: TS T ng Thanh Danh Cán b ch m nh n xét 2: PGS TS Tr năHoƠngăPh Lu n v n th c s đ c b o v t i Tr ng ng i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM, ngày 12 tháng 07 n m 2022 Thành ph n H i đ ng đánh giá lu n v n th c s g m: Ch t ch h i đ ng: PGS TS NGUY N TR NG S N Th kỦ h i đ ng: TS LÝ T N NHI M y viên Ph n bi n 1: TS T NG THANH DANH y viên Ph n bi n 2: PGS TS TR N HOÀNG PH NG y viên h i đ ng: PGS TS NGUY N TH KIM PH Xác nh n c a Ch t ch H i đ ng đánh giá LV vƠ Tr sau lu n v n đư đ CH ăT CHăH Iă NG ng Khoa qu n lý chuyên ngành c s a ch a (n u có) NGă TR NGăKHOAăK ăTHU TăHịAăH C (H tên vƠ ch kỦ) (H tên vƠ ch kỦ) i C NG HÒA XÃ H I CH NGH AăVI T NAM I H C QU C GIA TP.HCM TR NGă I H C BÁCH KHOA c l p - T - H nh phúc NHI M V LU NăV NăTH CăS H ătênăh căviên:ă INHăNG CăTRINH NgƠy, tháng, n m sinh: 17/08/1997 MSHV: 2070174 N i sinh: B n Tre Chuyên ngƠnh: K thu t Hóa h c Mư s : 8520301 I.ăTểNă TÀI: Tênăti ngăVi t: Nghiên c u t ng h p v t li u titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel đ quang phơn h y ch t mƠu h u c n c Tênă ti ngă Anh: Synthesis of graphene aerogel-based silver-doped titanium dioxide for photodegradation of organic dye in aqueous solution II NHI M V VÀ N I DUNG: 2.1 T ng quan Ch t màu crystal violet (CV), ph ng pháp x lý ch t màu h u c , v t li u titan dioxit, graphene aerogel, titan dioxit/graphene aerogel, titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel (Ag-TiO2/GA – ATG), c ch quang phân h y 2.2 Th c nghi m - T ng h p kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n đ c tr ng c a v t li u ATG; - Kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG; - Kh o sát nh h ng c a y u t nh pH, n ng đ CV, l ng v t li u, th i gian h p ph , th i gian quang phân h y đ n hi u su t quang phân h y CV theo mơ hình PlacketBurman; nh h ng đ ng th i c a y u t theo mơ hình Box-Behnken; - Kh o sát hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG; - Kh o sát nh h ng c a g c t đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG III NGÀY GIAO NHI M V : 08/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 07/2022 V CÁN B H CÁN B NG D N: PGS TS Nguy n H u Hi u Tp HCM, ngày tháng n m 2021 H NG D N CH NHI M B (H tên ch ký) TR MỌNă ÀOăT O (H tên ch ký) NG KHOA K THU T HÓA H C (H tên ch ký) ii L I C Mă N L i đ u tiên, tác gi xin g i l i c m n chơn thƠnh đ n gia đình đư ln bên c nh, ng h , ch d a v ng ch c, giúp đ tác gi r t nhi u trình h c t p nghiên c u đ hoàn thành lu n v n nƠy c bi t, tác gi g i l i c m n sơu s c nh t đ n th y PGS TS Nguy n H u Hi u đư t n tình h ng d n, t o u ki n cho tác gi th c hi n, hoàn thành t t lu n v n Tác gi c ng xin g i l i c m n đ n quý th y cơ, cán b Khoa K thu t Hóa h c – Tr ng i h c Bách Khoa i h c Qu c gia TP H Chí Minh đư truy n đ t ki n th c quý báu d n d t tác gi su t trình h c t p t i tr ng Tác gi xin c m n toƠn th anh/ch /b n h c viên, nghiên c u viên, sinh viên Phịng thí nghi m Tr ng m (Key CEPP Lab), Tr ng HQG-HCM Cơng ngh Hóa h c D u khí i H c Bách Khoa i h c Qu c gia TP H Chí Minh đư h tr tác gi su t trình h c t p nghiên c u Tác gi inhăNg c Trinh iii TÓM T T Trong lu n v n nƠy, v t li u titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel (Ag-TiO2/GA – ATG) đ c t ng h p b ng ph ng pháp đ ng k t t a t ti n ch t b c nitrat (AgNO3), titan (IV) isopropoxit (TIP), graphene oxit; v i l đ c kh o sát l n l t 0, 25, 50, 75, 100 mg ng AgNO3 c tr ng c a v t li u ATG đ c phân tích b ng ph h ng ngo i chuy n hóa Fourier, nhi u x tia X, ph Raman, phân tích nhi t tr ng l ph tán x n ng l ng, kính hi n vi n t truy n qua, kính hi n vi n t quét, ng tia X, di n tích b m t riêng theo ph ng pháp Brunauer-Emmett- Teller, ph h p thu t ngo i-kh ki n nh h ng c a l v t li u ATG đ nh h ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y crystal violet (CV) c a c th nghi m t i u ki n đ tìm l ng c a t ng y u t bao g m pH, n ng đ CV, l ng AgNO3 phù h p ng v t li u, th i gian h p ph , th i gian quang phân h y đ n hi u su t quang phân h y CV c a ATG đ kh o sát theo mơ hình Plackett-Burman Sau đó, nh h c ng đ ng th i c a ba y u t (pH, n ng đ CV, vƠ l ng v t li u) đ n hi u su t quang phân h y CV c a ATG đ kh o sát b ng ph ng pháp b m t đáp c ng, thi t k thí nghi m theo mơ hình Box-Behnken Bên c nh đó, hi u su t quang phân h y c a v t li u ATG đ c nghiên c u v i ch t màu cation (methylene blue) anion (indigo carmine) nh m m r ng kh n ng ng d ng c a v t li u Hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG đ s d ng liên ti p l c xác đ nh n m chu k n đ nh vƠ đ b n c a v t li u ATG đ c xác đ nh thông qua ng Ag+ Ti4+ gi i phóng vào dung d ch sau q trình quang phân h y CV; đ c tr ng c a v t li u ATG tr c sau n m l n tái s d ng đ C ch quang phân h y đ c phân tích c xác đ nh gián ti p thông qua kh o sát nh h ng c a g c t •O2ứ, h+, vƠ •OH q trình quang phân h y CV c a v t li u ATG T đó, xác đ nh g c t tham gia đ a c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG iv ABSTRACT In this thesis, graphene aerogel-based silver-doped titanium dioxide (Ag-TiO2/GA – ATG) has been sucessfully synthesized from silver nitrate, titanium (IV) isoproxide (TIP), and graphene oxide precursors with five different AgNO3 doses namely, 0, 25, 50, 75, and 100 mg The characteristics of ATG were examined by using Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, thermal gravimetric analysis, transmission electron microscopy, scanning electron microscope, Energy-dispersive X-ray spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller specific surface area, and ultraviolet-visible spectroscopy The effect of AgNO3 dose on crystal violet (CV) photodegradation efficiency of ATG was determined at the same conditions The effect of pH, crystal violet (CV) concentration, photocatalyst dose, adsorption time, and photodegradation time on photodegradation efficiency of ATG were screened by the Plackett-Burman design Moreover, three factors influenced photodegradation ability (pH, CV concentration, and photocatalyst dose) were optimized by Box-Behnken experimental design model of response surface methodology The photodegradation activity of ATG toward other cation (methylene blue) and anion (indigo carmine) dyes was studied to extend the applicability of the composite The recoverability and reusability after five cycles were studied The release of Ag+ and Ti4+ released was determined to evaluate the stability and durability of the material The characterizations of composites before and after five cycles were also carried The impacts of radical scavengers (•O2ứ, h+, and •OH) on the photodegradation of CV were evaluated The removal mechanism of CV using ATG was suggested based on scavenging results v L IăCAMă OAN Tác gi xin cam đoan lu n v n nƠy lƠ nghiên c u c a cá nhân tác gi vƠ đ th c hi n d is h ng d n c a th y PGS TS Nguy n H u Hi u Tr c ng phịng thí nghi m Tr ng m HQG-HCM Cơng ngh Hóa h c D u khí (Key CEPP Lab), Tr ng i h c Bách Khoa S li u, k t qu nghiên c u, k t lu n lu n v n nƠy lƠ hoƠn toƠn trung th c, ch a t ng đ c công b b t c m t cơng trình nƠo khác tr c đơy Tác gi xin ch u trách nhi m v nghiên c u c a Tác gi inhăNg c Trinh vi M CL C L I C Mă N iii TÓM T T iv ABSTRACT v L IăCAMă OAN vi M C L C vii DANH M C HÌNH ix DANH M C B NG xi DANH M C T T V Nă CH VI T T T xii NGă1:ăT NG QUAN 1.1 Tình hình nhi măvƠăph ngăphápăx lý ch t màu h uăc 1.1.1 Tình hình nhi m 1.1.2 Ph ng pháp x lý 1.2 V t li u quang phân h y 1.2.1 Titan dioxit 1.2.2 Graphene aerogel 11 1.2.3 V t li u titan dioxit c s graphene aerogel 13 1.2.4 V t li u titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel 16 1.3.ă ánhăgiáăkh n ngăquangăphơnăh y c a v t li u ATG 18 1.3.1 N ng l ng vùng c m c a v t li u 18 1.3.2 Hi u su t quang phân h y ch t màu CV 19 1.3.3 Ph ng pháp xác đ nh n ng đ ch t màu CV 19 1.4 Tình hình nghiên c uătrongăvƠăngoƠiăn c 19 1.4.1 Trong n c 19 1.4.2 NgoƠi n c 20 1.5 Tính c p thi t, m c tiêu, n iădung,ăph ngăphápănghiênăc u,ăđóngăgóp,ăvƠă tính m i 21 1.5.1 Tính c p thi t 21 1.5.2 M c tiêu 21 1.5.3 N i dung nghiên c u 22 vii 1.5.4 Ph ng pháp nghiên c u 22 1.5.5 óng góp 31 1.5.6 Tính m i 32 CH NGă2:ăTH C NGHI M 33 2.1 Hóa ch t, d ng c , thi t b ,ăvƠăđ aăđi m th c hi n 33 2.1.1 Hoá ch t 33 2.1.2 D ng c thi t b 33 2.1.3 a m th c hi n 34 2.2 Thí nghi m 35 2.2.1 T ng h p kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n đ c tr ng c a v t li u ATG 35 2.2.2 Kh o sát nh h ng c a l ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG 37 2.2.3 Kh o sát nh h ng y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG 38 2.2.4 Kh o sát hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG 40 2.2.5 Kh o sát nh h ng g c t đ n c ch quang phân h y CV c a v t li u ATG 41 CH NGă3:ăK T QU VÀ BÀN LU N 42 3.1 nhăh ngăl ng AgNO3 đ năđ cătr ngăc a v t li u ATG 42 3.2 nhăh ngăl ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG 49 3.3 nhăh ng y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG50 50 3.3.1 nh h ng t ng y u t 50 3.3.2 nh h ng đ ng th i 53 3.4 Hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG50 61 3.5 nhăh CH ng g c t doăđ năc ăch quang phân h y CV c a v t li u ATG50 63 NGă4:ăK T LU N 67 CÔNG TRÌNH CƠNG B 68 TÀI LI U THAM KH O 102 PH L C 108 viii DANH M C HÌNH Hình 1.1: N c th i thu c nhu m th i tr c ti p môi tr ng Hình 1.2: (a) Cơng th c c u t o, ph UV-Vis, (b) dung d ch c a CV Hình 1.3: V trí dưy n ng l thơng th ng c a m t s ch t bán d n kim lo i plasmonic ng Hình 1.4: C ch quang phân h y c a v t li u bán d n Hình 1.5: C u trúc tinh th c a TiO2 (a) anatase, (b) rutile, (c) brookite 10 Hình 1.6: C ch quang phân h y c a TiO2 11 Hình 1.7: S n ph m GA đư đ c t ng h p Key CEPP Lab 12 Hình 1.8: C ch phân h y ch t màu h u c c a TiO2/GA 14 Hình 1.9: C ch quang phân h y c a ATG 17 Hình 1.10: S đ quy trình t ng h p ATG b ng ph ng pháp ph i tr n huy n phù 17 Hình 1.11: S đ quy trình t ng h p ATG b ng ph ng pháp đ ng k t t a 18 Hình 1.12: Nguyên lý ho t đ ng c a máy đo FTIR 23 Hình 1.13: S đ nhi u x tia X 24 Hình 1.14: Nguyên lý ho t đ ng máy đo Raman 24 Hình 1.15: Nguyên lý ho t đ ng máy đo TEM 25 Hình 1.16: Nguyên lý ho t đ ng máy SEM 26 Hình 1.17: Nguyên lý c a phép phân tích EDS 27 Hình 1.18: Nguyên lý ho t đ ng máy đo UV-Vis 29 Hình 1.19: Mơ hình Box-Behnken 30 Hình 2.1: Thi t b s d ng lu n v n 34 Hình 2.2: Quy trình t ng h p GO 35 Hình 2.3: Quy trình t ng h p ATG b ng ph ng pháp đ ng k t t a 35 Hình 2.4: Quy trình kh o sát hi u su t quang phân h y ch t màu CV c a v t li u ATG 38 Hình 2.5: Quy trình đánh giá hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG 41 Hình 2.6: Quy trình xác đ nh nh h ng c a g c t đ n c ch quang phân h y CV 41 Hình 3.1: Ph FTIR c a v t li u ATG 42 Hình 3.2: Gi n đ XRD c a v t li u ATG 43 ix 120 121 PL1.6.2: K t qu SEM-EDS c a ATG50 122 123 PL1.7: K t qu BET c a ATG50 124 Ph l c 2: K t qu nhăh ngăl ng AgNO3 đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG PL2.1: K t qu hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG V t li u Hi u su t h p ph (%) Hi u su t quang phân h y (%) GA 8,80 88,00 TiO2 5,00 31,98 ATG0 83,79 93,58 ATG25 75,53 95,86 ATG50 68,05 97,82 ATG75 63,98 90,64 ATG100 59,78 82,13 125 Ph l c 3: K t qu nhăh ng y u t đ n hi u su t quang phân h y CV c a v t li u ATG50 Ph l c 3.1: nh h ng t ng y u t Ph l c 3.2: K t qu th c nghi m d đoán 126 Ph l c 3.3: K t qu phân tích ANOVA Ph l c 3.4: Gi n đ Pareto c a mơ hình Plackett–Burman 127 Ph l c 3.5: nh h ng đ ng th i y u t Ph l c 3.6: B m t đáp ng ba chi u th hi n nh h 128 ng c a pH n ng đ CV Ph l c 3.7: B m t đáp ng ba chi u th hi n nh h ng c a pH l Ph l c 3.8: B m t đáp ng ba chi u th hi n nh h n ng đ CV 129 ng c a l ng v t li u ng v t li u Ph l c 4: K t qu kh o sát hi u su t thu h i tái s d ng c a v t li u ATG50 PL4.1: K t qu XRD c a ATG50 sau n m l n tái s d ng PL4.2: K t qu SEM-EDS c a ATG50 sau n m l n tái s d ng 130 131 132 nhăh Ph l c 5: K t qu ng g c t doăđ năc ăquangăphơnăh y CV c a v t li u ATG50 Ch t b t g c t Hi u su t quang phân h y (%) - 99,57 BQ 59,72 EDTA-2Na 74,47 IPA 91,93 133 PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: INHăNG C TRINH NgƠy, tháng, n m sinh: 17/08/1997 N i sinh: B n Tre a ch liên l c: B9-02, KDC H nh Phúc, p 3, xư Bình H ng, huy n Bình Chánh, TP HCM S n tho i: 032 813 8863 Email: dntrinh@hcmut.edu.vn QUÁăTRỊNHă ÀOăT O  08/2015 07/2019: Công ngh K thu t Môi tr ng, Khoa Môi tr ng, Tr ng i h c Khoa h c T nhiên, HQG–HCM  08/2020 nay: Khoa K thu t Hóa h c, Tr ng i h c Bách khoa, HQG–HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC  2020 nay: PTN Tr ng m Tr ng HQG – HCM Cơng ngh Hóa h c D u khí, i h c Bách khoa, HQG–HCM ... ng quan Ch t màu crystal violet (CV), ph ng pháp x lý ch t màu h u c , v t li u titan dioxit, graphene aerogel, titan dioxit/ graphene aerogel, titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel (Ag-TiO2/GA... i TiO2/GA t o thành titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel (Ag-TiO2/GA – ATG) giúp c i thi n hi u su t quang phân h y v t li u C ch quang phân h y c a ATG C ch quang phân h y c a ATG đ... 11 1.2.3 V t li u titan dioxit c s graphene aerogel 13 1.2.4 V t li u titan dioxit pha t p b c c s graphene aerogel 16 1.3.ă ánhăgiáăkh n ng? ?quang? ?phơnăh y c a v t li u ATG