Trích dẫn bài viết Vietnam J Chem , 2020, 58(6E12), 131 135 Bài nghiên cứu 131 Tổng hợp vật liệu ZnO/GO nanocompozit xúc tác quang hóa Phùng Thị Tính, Trần Quang Thuận * , Hoàng Thế Anh, Nguyễn Quang[.]
Trích dẫn viết: Vietnam J Chem., 2020, 58(6E12), 131-135 Bài nghiên cứu Tổng hợp vật liệu ZnO/GO nanocompozit xúc tác quang hóa Phùng Thị Tính, Trần Quang Thuận*, Hồng Thế Anh, Nguyễn Quang Trung Vi n Hàn lâm Khoa học Cơng ngh Vi t Nam, 18 Hồng Quốc Vi t, Cầu Giấy, Hà Nội 10000, Vi t Nam Đến Tòa soạn 15-6-2020; Chấp nhận đăng 20-12-2020 Abstract Zinc oxide-modified graphene oxide composite was successfully synthesized by the simple method without heating using zinc sulfate, graphene oxide, and sodium carbonate Physicochemical properties of the synthesized nanocomposites were shown via X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA) XRD peaks showed that ZnO existed as hexagonal wurtzite crystalline structure and the standard peak of graphene oxide was (001) SEM images confirmed that the ZnO nanoparticles with 20-50 nm diameter distributed on the surface of graphene oxide sheets The photocatalytic performance of ZnO-GO was investigated in the photodegration of Methylene Blue (MB) under the visible light compared with the synthesized ZnO The results showed that the removal efficiency increased with the presence of the photocatalyst ZnO/GO nanocomposite is more effective than pristine ZnO to degrade the methylene blue dye The prepared nanocomposites completely degraded MB after 100 minutes with the MB concentration of 10 pm Keywords Photocatalyst, graphene, zinc oxide, dyes GI I HI i i ại n ng nh ng hấ n ẫn h iến có khả ú h qu ình quang hóa với ng ng ấ Eg = 3,37 eV,[1] đ n đ nh n h đ đ hấ gi h nh hấ [2,3] Nh ng yếu tố dẫn đến khả ứng dụng cao ZnO công nghi để xử ý n ớc thải ớc thải ôi ờng n đ c sử dụng để xử lý h p chất h u nh xanh methylen,[4] vàng 27, axit màu xanh 129,[5] RhB,[6] 4ni h n …[7] m t số kim loại nặng nh C …[8] Ph ơng h ng h n ũng ấ đ ạng bao gồ h ơng h hủy nhi t,[9] sol-gel,[10] microemulsion,[11] dung mơi nhi t,[12] kết tủ n hóa,[13] vi sóng,[14] h ớt,[15] polyol,[16] thơng [17] ng qu y n (electrospinning).[18] Chẳng hạn nh A S đồng nghi ng h p ống n n n đ ờng kính trung bình ~37,9 nm đạ ờng đ dịng quang lên tới 12,94 mA/cm2 h ơng h n hóa nhi đ 70 oC.[19] Đơn giản S đồng nghi ng h p ZnO cách cho ZnCl2 phản ứng với N H s u đ muối nung 150 oC để hu đ n í h h ớc 300-500 nm Bằng h h yđ i điều ki n phản ứng nh ung ôi iền chất, nhi đ ,… n hu đ c í h h hình ng đặ ính n tử khác Mặc khác, dựa phản ứng h ZnO t ng h p thành hạt nano, bao gồm nhi hơi,[20] kết tủa lazer xung,[21] kết tủ ật lý,[22] kết tủ h học,[23] kết tủ h học h u - kim loại (MOCVD),[24] kết tủ h họ ăng ờng plasma[25] epitaxy chùm phân tử.[26] Để cải thi n khả ú qu ng ZnO, nhiều h ơng h đ c nghiên cứu đ đến kết t tr i C h ơng h n y gồm pha tạp oxit kim loại với kim loại phi kim,[27,28] với bán dẫn khác,[29] với nanocacbon.[30] Trong số đ graphene hu hú đ c nhiều ý đặ ính đ nhấ ủ n gồ đ ẫn n i n í h ề ặ ớn đ ẫn nhi đ inh [31] đ ng Fu đồng nghi ng h p ZnO/GO h ơng h hủy nhi t thấy có mặt graphen ăng ại bỏ thuốc nhu m suốt trình quang hóa.[32] ng nghi n ứu n y húng ôi tiến hành t ng h p nano composit ZnO/GO h ơng h h đơn giản, không sử dụng nhi t Hoạt tính xúc tác quang composit đ đ nh gi hông qu đ suy giả nồng đ nh y n đ ằng y - is ới nh s ng đ n H g n ơng ự nh s ng ặ ời 131 TCHH, 58(6E12), 2020 Trần Quang Thuận c ng Dung d ch chứa 50 ml MB 10 n G nồng đ 0,2 g đ huấy ng ối hú để loại bỏ ảnh h ởng trình hấp phụ, sau đ iến h nh hiếu s ng ằng đ n h g n 00 W với ờng đ ánh sáng 1000 µW/cm2 khuấy t liên tục Sau m i 20 phút, ml dung d h đ c lấy ống ly tâm 15 y 00 ng hú để tách ph n chất r n khỏi dung d ch Ph n dung d h đ c đ đ -Vis Sự phân hủy quang củ B đ c dụng để đ nh gi h đ ng xúc tác quang ZnO va n G ới ảnh sáng khả kiến Hi u suất phân hủy Dt% đ c tính theo công thức sau: Dt% = (A0 – At)/A0 100% (1) với A giá tr hấp thụ quang dung d ch MB t thời gian phản ứng 3.1 (110) (103) (112) ZnO-GO ZnO 10 20 30 40 50 60 2Theta(Degree) 70 80 b ZnHC ZnHC_GO 100 95 TGA 90 85 80 75 70 Ả Hình 1: Ph Ph n í h nhi ậ Để nghiên cứu n n si ng h p, h ơng h đ nh gi ật li u đ c tiến h nh Đ u tiên, ph D hu đ c hình 1a h hấy n ự ng h inh hể ấu ú h g n a = 3,2049 Å, c = 5,1216 C i đặ ng ủ n ờng đ ạnh n hể hi n ẫu [34] hấ ng hi ặ G ín hi u D a (102) Graphit oxid G đ ng h [33] đ 50 ml GO g đ ung si u s u đ nhỏ giọ ung h nS n G 10:0, huấy ng hú Dung h N 2CO3 đ h h n h đến H h ảng iế ụ huấy H n h đ y 000 hú , thu hấ n đ ới n n h n n ằng y Chấ n đ sấy hô oC hi nung 00 oC ng hu đ ú n G n đ c t ng h p h ơng h ơng ự nh ng hông G (101) đ dụng cđ -Vis 00- (002) ZnSO4.6H2O, Na2CO3, xanh metylen (MB) u Sigma Aldrich N ớc cấ đ c sử xuyên suốt thí nghi m Dung d ch mẫu đ ằng y qu ng h ng ại iến Model EMC-61PC-UV (Đức) với s ng 800 nm (100) ị (001) ế uấ hi n i đặ ng 00 ại 10,460 h ồn ại ủ G ng ẫu ũng nh hình h nh composit ZnO-GO.[35] B n ạnh đ i u h n í h nhi ọng ng h g i i n ysis GA hiển h hình 1b ch trình nung vật li u gồ h ả h i ẫu n n GO.[36] B đ u tiên đề hy n hấ hụ n ề ặ ậ i u ảy ng h ảng nhi đ o 50-150 C Sự giả hối ng ạnh i n số h i ng h ảng nhi 200-300 oC h ấ đồng thời nh – H C 32- h h ơng ình (2) sau: Zn5(CO3)2(OH)6 5ZnO + 2CO2 + 3H2O (2) C h i gi đ giả hối ng ủ n n -G ơng ứng h ảng 00 oC ý h giả í hối ng ủ n -G ặ ủ G ng si hông i h nhi đ n y Intensity(a.u.) H C NGHI 100 200 300 o Temperature( C) 400 500 D ủ ZnO n -G ọng ng (TGA) ủ ZnO ZnO-GO Đặ ính ề ặ ủ h i ậ i u n n G đ h n í h ằng ính hiển i n qu (Scanning Electron Microscope-SEM) Có thể thấy rõ n ự ng h ụ gồ hạ í h h h ảng 20 n ới đ ố ng (hình 2a) hi ặ G ụ hạ n h nhỏ 132 TCHH, 58(6E12), 2020 Tổng hợp vật li phân n n ề ặ ấ G hình 2b) Điều cho thấy n đ c t ng h p thành công lên lớp GO Z O/GO… Với xúc tác ZnO, sau 120 phút ch xử ý đ 95 % MB dung d ch c tối đ 1.4 1.2 -30 min 20 40 60 80 100 120 140 160 (a) 1.0 Abs 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 500 550 600 650 700 750 800 (nM) 1.4 1.2 -30 min 20 40 60 80 100 120 140 160 (b) 1.0 Abs 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 500 550 600 650 700 750 800 (nM) 1.4 1.2 -30 min 20 40 60 80 100 (c) 1.0 Hình 2: Hình SE ủ (a) n Abs 0.8 b) ZnO-GO 0.6 0.4 0.2 0.0 ậ 500 133 600 650 700 750 800 (nM) Hình 3: Ph hấp phụ UV-Vis theo thời gian dung d ch MB xúc tác (a), có xúc tác ZnO n G ới ánh sáng 120 100 80 Dt/% Để biế đ c khả ú qu ng ZnO có mặt GO so với n hông h ờng, thuốc nhu m hy n u đ c sử dụng d quan sát màu trình phân hủy quang d phân tích h ơng h - is ế đ B thời điểm khác nh u đ ình y ng hình MB cho pic hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến ớc sóng 663 nm Với thời gian chiếu s ng ăng d n, tín hi u MB g n nh hơng h y đ i khơng có mặt chất xúc tác Khi có ZnO ZnO/GO dung d ch, tín hi u MB giảm d n Hi u suất oxi hóa MB củ ú đ c tính tốn trình bày hình Ở hú đ u tiên, với ảnh h ởng trình hấp phụ, ZnO n G xử ý đ c 30 h ng MB dung d ch Ở gi i đ ạn tiếp theo, chiếu sáng h phản ứng, MB xử lý với ZnO/GO nhanh chóng sụt giảm nồng đ b oxi hóa hồn tồn 100 phút 550 no ZnO ZnO ZnO-GO 60 40 20 -20 20 40 60 80 Irradition time (min) 100 120 Hình 4: h n hủy B ủ n n -G ới nồng đ g ới nh s ng đ n TCHH, 58(6E12), 2020 Trần Quang Thuận c ng Cơ chế phân h y quang MB c a ZnO/GO Để hiểu ề khả ú ủ n G chế phản ứng phân hủy quang có MB bề mặt ú đ đ nh nh s u:[37] ZnO + h ZnO ( + ) ZnO ( ) + H2O ZnO + H+ + •OH ZnO ( ) + OH- ZnO + •OH ZnO ( ) + O2 n + • 2• 2- + H+ HO2• B + • H Sản phẩm phân hủy Khi có mặt GO, tiếp xúc trực tiếp gi a ZnO GO ạo thuận l i cho đ i electron t ZnO tới G ăng số l trống tham gia vào q trình oxi hóa - qu ng ăng ờng hoạt tính xúc tác quang củ ú Đặc bi t, liên kế π-π gi a MB GO không ch ăng ờng hấp phụ phân tử MB lên bề mặt xúc tác mà cịn kích hoạt MB chuyển electron t G để sinh chất trung gian MB-* với khả oxi hóa l trống nh nh B’ [38,39] K T LUẬN 10 Kết thí nghi m cho thấy với h ơng h ng h đơn giản, bán dẫn n đ hủ h nh ông lên bề mặt tấ G ới í h h n n C h ơng h đ nh gi SE D GA đ sử ụng hẳng đ nh ặ ủ n n ấ GO Cả h i ú n n G thể hi n khả h n hủy hy n u uy nhi n n G n n si hể hi n ú qu ng h n hủy h hấ h u ới nh s ng iến ới hi u i i i ại n ng ng điều i n ng h p phản ứng Lờ m Nhóm nghiên c u Q ỹ Nghiên c u Khoa họ (NAFOSTED-104.06-2017.45) ợ nghiên c u I I HA HẢ 11 12 13 14 15 J Gomez, O Tigli Zinc oxide nanostructures: from growth to application, Journal of Materials Science, 2013, 48(2), 612-624 Saraf L V., Engelhard M H., Wang C M., Lea A S., McCready D E., Shutthanandan V., Baer D R., Chambers S A., Metalorganic chemical vapor deposition of carbon-free ZnO using the bis(2,2,6,6tetramethyl-3,5-heptanedionato)zinc precursor, J Mater Res., 2007, 22, 1230-1234 A Wei, L Xiong, L Sun, CuO nanoparticle modified ZnO nanorods with improved photocatalytic activity, Chin Phys Lett., 2013, 30, 046202 16 17 18 19 134 Rezaei M., Habibi-Yangjeh A Simple and large scale refluxing method for preparation of Ce-doped ZnO nanostructures as highly efficient photocatalyst, Appl Surf Sci., 2013, 591-6 Umar K., Aris A., Parveen T., Jaafar J., Abdul Majid Z., Vijaya Bhaskar Reddy A et al Synthesis, characterization of Mo and Mn doped ZnO and their photocatalytic activity for the decolorization of two different chromophoric dyes, Appl Catal A Gen., 2015, 505-507 Haibo O., Feng HJ., Cuiyan L., Liyun C., Jie F Synthesis of carbon doped ZnO with a porous structure and its solar-light photocatalytic properties, Mater Lett., 2013, 111 Divband B., Khatamian M., Eslamian GRK., Darbandi M Synthesis of Ag/ZnO nanostructures by different methods and investigation of their photocatalytic efficiency for 4-nitrophenol degradation, Appl Surf Sci., 2013, 284, 80-6 G Chen, J Feng, W Wang, Y Yin, H Liu Photocatalytic removal of hexavalent chromium by newly designed and highly reductive TiO2 nanocrystals, Water Research., 108, 2017, 383-390 Wang F., Qin X., Guo Z., Meng Y., Yang L., Ming Y Hydrothermal synthesis of dumbbell-shaped ZnO microstructures, Ceram Int., 2013, 8969-73 Chandrasekaran P., Viruthagiri G., Srinivasan N The effect of various capping agents on the surface modifications of sol-gel synthesized ZnO nanoparticles, J Alloy Compd., 2012, 540, 89-93 Lim SK., Hwang S-H., Kim S., Park H Preparation of ZnO nanorods by microemulsion synthesis and their application as a CO gas sensor, Sens Actuators B Chem., 2011, 160, 94-8 Wan L., Yan S., Feng J., Yang Z., Fan X., Li Z et al Solvothermal synthesis of core-shell ZnO hollow microhemispheres, Colloids Surf A Physicochem Eng Asp., 2012, 396, 46-50 Jiao S., Zhang K., Bai S., Li H., Gao S., Li H et al Controlled morphology evolution of ZnO nanostructures in the electrochemical deposition: from the point of view of chloride ions, Electrochim Acta., 2013, 111, 64-70 Hasanpoor M., Aliofkhazraei M., Delavari H Microwave-assisted synthesis of zinc oxide nanoparticles, Procedia Mater Sci., 2015, 11, 320-5 Yue S., Lu J., Zhang J Controlled growth of wellaligned hierarchical ZnO arrays by a wet chemical method, Mater Lett., 2009, 63 Lee S., Jeong S., Kim D., Hwang S., Jeon M., Moon J ZnO nanoparticles with controlled shapes and sizes prepared using a simple polyol synthesis, Superlattices Microstruct 2008, 43, 330-9 Ushio M., Sumiyoshi Y Synthesis of ZnO single crystals by the flux method, J Mater Sci 1993, 28, 218-24 Wu H., Pan W Preparation of zinc oxide nanofibers by electrospinning, J Am Ceram Soc., 2006, 699-701 Abd Samad N A., Lai C W., Abd Hamid S B Influence applied potential on the formation of self- TCHH, 58(6E12), 2020 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tổng hợp vật li organized ZnO nanorod film and its photoelectrochemical response, Int J Photoenergy, 2016, 1413072 Jiang DY., Zhao JX., Zhao M., Liang QC., Gao S., Qin JM et al Optical waveguide based on ZnO nanowires prepared by a thermal evaporation process, J Alloy Compd., 2012, 532, 31-3 Ma X., Zhang J., Lu J., Ye Z Room temperature growth and properties of ZnO films by pulsed laser deposition, Appl Surf Sci., 2010, 257, 1310-3 Ouyang W., Zhu J Catalyst-free synthesis of macroscale ZnO nanonail arrays on Si substrate by simple physical vapor deposition, Mater Lett., 2008, 62 Zhang N., Yi R., Shi R., Gao G., Chen G., Liu X Novel rose-like ZnO nanoflowers synthesized by chemical vapor deposition, Mater Lett., 2009, 63 Lee C-H., Kim D-W Thickness dependence of microstructure and properties of ZnO thin films deposited by metal-organic chemical vapor deposition using ultrasonic nebulization, Thin Solid Films., 2013, 38-41 Hu P, Han N, Zhang D, Ho JC, Chen Y Highly formaldehyde-sensitive, transition- metal doped ZnO nanorods prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Sens Actuators B Chem., 2012, 7480 Wang C., Chen Z., Hu H., Zhang D Effect of the oxygen pressure on the microstructure and optical properties of ZnO films prepared by laser molecular beam epitaxy, Phys B Condens Matter., 2009, 407582 Jia X., Fan H., Afzaal M., Wu X ’B i n P Solid state synthesis of tin-doped ZnO at room temperature: characterization and its enhanced gas sensing and photo-catalytic properties, J Hazard Mater., 2011, 193, 194-9 Rajbongshi BM., Ramchiary A., Samdarshi S Influence of N-doping on photo- catalytic activity of ZnO nanoparticles under visible light irradiation, Mater Lett., 2014, 134 Ullah R., Dutta J Photocatalytic degradation of organic dyes with manganese-doped ZnO nanoparticles, J Hazard Mater., 2008, 156, 194-200 Bosch-Navarro C., Coronado E., Martí-Gastaldo C., Sánchez-Royo JF., Gómez MG Influence of the pH 31 32 33 34 35 36 37 38 39 on the synthesis of reduced graphene oxide under hydro- thermal conditions, Nanoscale 2012, 4, 3977 B Li, H Cao., Zno@graphene composite with enhanced performance for the removal of dye from water, J Mater Chem., 2011, 21, 3346-3349 Fu D., Han G., Yang F., Zhang T., Chang Y., Liu F Seed-mediated synthesis and the photo-degradation activity of ZnO-graphene hybrids excluding the influence of dye adsorption, Appl Surf Sci., 2013, 283, 654-9 Q T Tran, T T Phung, Q T Nguyen, T.G Le, C Lagrost Highly sensitive and rapid determination of sunset yellow in drinks using a low-cost carbon material-based electrochemical sensor, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2019, 411(28), 75397549 A h ı nş n S S A fi-Oskoui, Preparation and characterization of ZnO/MMT nanocomposite for photocatalytic ozonation of a disperse dye, Turkish Journal of Chemistry, 2016, 40(4), 546-564 F Khurshid, M Jeyavelan, M Sterlin Leo Hudson and S Nagarajan Ag-doped ZnO nanorods embedded reduced graphene oxide nanocomposite for photo-electrochemical applications, R Soc open Sci., 2019, 6, 181764 M Shamsipura, S M Pourmortazavia, S S Hajimirsadeghic, M M Zahedic, and M R Nasrabadi Facile synthesis of zinc carbonate and zinc oxide nanoparticles via direct carbonation and thermal decomposition, Ceramics International, 2013, 39, 819-827 K M Lee, C W Lai, K S Ngai, J C Juan Recent developments of zinc oxide based photocatalyst in water treatment technology: A review, Water Research, 2016, 88, 428-448 K K Manga, Y Zhou, Y Yan, K.P Loh Multilayer hybrid films consisting of alternating graphene and titania nanosheets with ultrafast electron transfer and photoconversion properties, Adv Funct Mater., 2009, 19, 3638-3644 S Gayathri, P Jayabal, M Kottaisamy, and V Ramakrishnan Synthesis of ZnO decorated graphene nanocomposite for enhanced photocatalytic properties, Journal of Applied Physics, 2014, 115, 173504 Liên h : Trần Quang Thuận Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao công ngh Vi n Hàn lâm Khoa học Công ngh Vi t Nam Số 18, Hoàng Quốc Vi t, C u Giấy, Hà N i 10000, Vi t Nam E-mail: tranquangthuan2008@gmail.com 135 Z O/GO… ... Trần Quang Thuận c ng Cơ chế phân h y quang MB c a ZnO/ GO Để hiểu ề khả ú ủ n G chế phản ứng phân hủy quang có MB bề mặt ú đ đ nh nh s u:[37] ZnO + h ZnO ( + ) ZnO ( ) + H2O ZnO + H+ + •OH ZnO. .. G ụ hạ n h nhỏ 132 TCHH, 58(6E12), 2020 Tổng hợp vật li phân n n ề ặ ấ G hình 2b) Điều cho thấy n đ c t ng h p thành công lên lớp GO Z O /GO? ?? Với xúc tác ZnO, sau 120 phút ch xử ý đ 95 % MB dung... h y đ i mặt chất xúc tác Khi có ZnO ZnO /GO dung d ch, tín hi u MB giảm d n Hi u suất oxi hóa MB củ ú đ c tính tốn trình bày hình Ở hú đ u tiên, với ảnh h ởng trình hấp phụ, ZnO n G xử ý đ c 30