Nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ lưỡng kim loại và ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu cơ.pdf

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2021 NGHIÊN CỨU TÔNG HỢP VẶT LIỆU KHUNG HỮU Cơ LƯỠNG KIM LOẠI VÀ ỨNG DỤNG LÀM xúc TÁC QUANG HÓA XỬ LÝ CHÁT MÀU HỮU Tên đề tài: Số hợp đồng: 2021.01.03/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Kim Ngân Đơn vị công tác: Viện Khoa học Môi Trường Thời gian thực hiện: 06 tháng (Từ tháng 01/2021 đến tháng 06/2021) TP Hồ Chí Minh, ngày 25 thảng năm 2021 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TÔNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2021 NGHIÊN CỨU TỐNG HỢP VẬT LIỆU KHUNG HỮU Cơ LƯỠNG KIM LOẠI VÀ ỨNG DỤNG LÀM xúc TÁC QUANG HÓA XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU Tên đề tài: Số hợp đồng: 2021.01.03/HĐ-K.HCN Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Kim Ngân Đơn vị công tác: Viện Khoa học Môi Trường Thời gian thực hiện: 06 tháng (Từ tháng 01/2021 đến tháng 06/2021) Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Chuyên ngành Cơ quan công tác Trẩn Thiện Hiền Ngơ Thị Cấm Ọun Hóa hữu Hóa dược ĐH NTT ĐH NTT ii Ký tên MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG viii TÓM TẮT KÉT QUẢ NGHIÊN cúư ix MỞ ĐÀU X CHƯƠNG TỐNG QUAN 1.1 Vật liệu khung hữu kim loại (metal-organic frame works- MOFs) 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu trúc đặc trưng tính chất MOFs 1.1.3 Tiềm ứng dụng MOFs 1.1.3.1 MOF làm vật liệu lưu trừ, tách lọc khí 1.1.3.2 MOF làm vật liệu xúc tác 1.1.3.3 Kỳ thuật y sinh 1.1.3.4 MOFs làm vật liệu huỳnh quang cảm biến 1.1.4 Các phương pháp tổng họp MOFs 1.2 Giới thiệu vật liệu xúc tác quang hóa 1.2.1 Khái niệm vật liệu xúc tác quang hóa 1.2.2 Cơ chế xúc tác quang hóa dị thể vật liệu MOFs 1.3 Tổng quan vật liệu biến tính Fe-MOFs 11 1.3.1 Đặc điểm cấu trúc vật liệu biến tính M/Fe-MOFs 11 1.3.2 ứng dụng vật liệu biến tính M/Fe-MOF làm xúc tác quang phân hủy chất màu hữu 12 1.4 Hiện trạng ô nhiễm chất màu hữu 13 1.4.1 Phương pháp xử lý màu hữu 14 1.4.2 Chất màu Rhodamine B (RhB) 15 CHƯƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 16 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 16 2.2 Nội dung nghiên cứu 16 iii 2.3 Dụng cụ, thiết bị hóa chất thí nghiệm 16 2.3.1 Dụng cụ 16 2.3.2 Thiết bị 16 2.3.3 Hoá chất .17 2.4 Quy trình thực nghiệm 17 2.4.1 Tổng hợp vật liệu Fe-MOF 17 2.4.2 Tổng hợp vật liệu Mn/Fe-MOF x% (x 5, 10, 30 50) 18 2.4.3 Tổng hợp vật liệu M/Fe-MOF ( M Cu, Sn, Mg, Co) 19 2.4.4 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa 19 2.5 Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu 20 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 21 2.5.2 Phương pháp phố hấp thụ tử ngoại - khả kiến (Ultra Violet-Visible, ƯV- Vis) 21 2.5.3 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM) 22 2.5.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET) 23 2.5.5 Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy, IR) 23 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Các tính chất đặc trưng vật liệu Fe-MOF Mn/Fe-MOF 25 3.1.1 Giản đồ XRD 25 3.1.2 Giản đồ quang phổ FT-IR 26 3.1.3 Ảnh SEM 26 3.1.4 Đắng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET) .28 3.2 Khảo sát hiệu xúc tác vật liệu biến tính Mn/Fe-MOF 29 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xúc tác 0,1Mn/Fe-MOF .31 3.2.2.1 Ảnh hưởng pH dung dịch 31 3.2.2.2 Ảnh hưởng nong độ ban đầu RhB 32 3.2.2.3 Ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác 32 3.2.2 Cơ chế phản ứng quang hóa 0,1 MnFe-MOF 34 3.2.3 Tính dị thể khả tái sử dụng cùa 0,1 Mn/Fe-MOF 35 iv 3.3 Vật liệu biến tính lường kim M/Fe -MOF (M Mg, Co Cu) 36 3.3.1 Giản đồ nhiều xạ tia X M/Fe-MOF 36 3.3.2 Ảnh SEM M/Fe-MOF 37 3.3.3 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET) cùa M/Fe-MOF 38 3.3.4 Giản đồ quang phổ FT-IR 41 3.3.5 Phản ứng phân hủy RhB cùa M/Fe-MOF (M= Co, Mg, Sn Cu) 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 4.1 Kết luận 43 4.2 Kiến nghị 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 51 V DANH MỤC HÌNH • Hình 1.1 Số lượng cơng trình cơng bo MOFs năm gần Hình Một số SBUs thường gặp vật liệu MOF từ carboxylate Hình 1.3 Một số cầu nối hữu MOF Hình 1.4 Sự hình thành cấu trúc MOF Hình Sơ đồ đại diện liên kết hữu ditopic kết nối hai SBƯs Hình Khả lưu trữ co2 MOF Hình Phản ứng mở vòng epoxide Hình Một phản ứng nitroaldol hóa sử dụng xúc tác Cu-MOF Hình Cơ che phát cảm biến “turn off-on” cho TBHỌ Hình 1.10 Các phương pháp tổng họp MOFs Hình 11 Sơ đồ chế cùa xúc tác quang TĨO2 Hình 12 Cơ che cùa xúc tác quang hóa dị thể 10 Hình 13 Sơ đồ tong họp MOF từ cầu nối hữu hồn họp có kích thước hướng 11 Hình 14 Sơ đồ tong hợp MOF hai kim loại khác 12 Hình 15 Sơ đồ tong hợp MOF thông qua hậu tổng hợp cách trao đổi cầu nối hữu .12 Hình 1.16 Các phương pháp loại bỏ thuốc nhuộm màu 14 Hình 1.17 Dạng tổn phân tử Rhodamin B 15 Hình 2 Quy trình tổng hợp vật liệu biến tính Fe-MOF với Mn 18 Hình 2.3 Quy trình thí nghiệm xúc tác quang hóa 20 Hình Hệ thống phản ứng xúc tác quang hóa 20 Hình Độ tù đỉnh nhiều xạ gây kích thước hạt 21 Hình Sơ đồ Nguyên tắc sinh tín hiệu SEM 22 Hình 3.1 Giản đồ XRD Fe-MOF Mn /Fe-MOF tỷ lệ khác 25 Hình Phổ FT-IR Fe-MOF Mn /Fe-MOF tỷ lệ khác 26 Hình 3 Ảnh SEM vật liệu thay đổi tỷ lệ kết tinh (a) Fe-MOF; (b) 0,05 Mn/Fe-MOF; (c) 0,1 Mn/Fe-MOF; (d) 0,3 Mn/Fe-MOF (e) 0,5 Mn/Fe-MOF 27 vi Hình Đường cong đăng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 Đường phân bố đường kính lồ xốp: (a, b) Fe-MOF, (c, d) 0,1 MnFe-MOF 28 Hình 3.5 Quang xúc tác phân hủy RhB Mn/Fe-MOF tỷ lệ khác .30 Hình Phổ hấp thụ RhB xúc tác (a) Fe-MOFvà (b) 0,1 MnFe-MOF 31 Hình Ảnh hưởng pH dung dịch 31 Hình Ánh hưởng nồng độ dung dịch RhB 32 Hình Ánh hưởng khối lượng xúc tác 0,1 MnFe-MOF 33 Hình 10 Phản ứng bắt gốc tự phân hủy màu RhB (a) chế đề nghị (b) 0,1 MnFe-MOF : 35 Hình 11 Cơ chế đề nghị 0,1 Mn/Fe-MOF 35 Hình 12 Tính dị the (A) độ bền (B) vật liệu xúc tác 36 Hình 13 Giản đồ XRD M/Fe MOF 37 Hình 14 Anh SEM vật liệu thay đổi tỷ lệ kết tinh vật liệu lưỡng kim 38 Fe-MOF Hình 15 Đường cong nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 đường phân bố đường kính lồ xốp M/Fe-MOF: (a-b) CoFe-MOF, (c-d) CuFe-MOF, (e-f) MgFe-MOF 40 Hình 16 Phổ FT-IR MFe-MOF 41 Hình 17 Quang xúc tác phân hủy RhB M/Fe MOF (M = Co, Cu Mn) 42 vii DANH MỤC BANG Bảng 2.1 Danh sách hóa chất sử dụng 17 Bảng 2 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ Mn27Fe’ lên trình tổng hợp vật liệu biến tính Mn/Fe-MOF 18 Bảng Tính chất bề mặt mầu Fe-MOF 0,1 MnFe-MOF 29 Bảng Tính chat bề mặt mầu M/Fe-MOF 40 viii TÓM TÁT KẾT QUẢ NGHIÊN cứu Sản phẩm thực đạt Sản phẩm đăng ký thuyết minh Quy trình tổng hợp vật liệu lượng kim loại Fe-MOF Báo cáo tong hợp vật liệu khung hữu lưỡng kim loại ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu - Quy trình tong hợp vật liệu lượng kim loại Fe-MOF - Báo cáo tổng hợp vật liệu khung hữu lưỡng kim loại ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu Bài báo khoa học - Bài báo khoa học ix MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường nước gây chất màu hữu độc hại ngành công nghiệp sơn dệt nhuộm lớn Do đó, đe đảm bảo cho phát trien ben vừng hạn chế phát thải chất màu hữu gây ô nhiễm môi trường ngành công nghiệp có nhiều biện pháp xử lý đưa phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học phương pháp hóa học Vật liệu khung hữu - kim loại (Metal - Organic Framworks, MOFs) dành nhiều quan tâm nhà nghiên cứu tiềm ứng dụng lĩnh vực hấp phụ, xúc tác, cảm biến dần truyền thuốc Với tính chất vật liệu xốp diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước lỗ xốp phù họp điều chỉnh Các tâm kim loại chuyển tiếp cấu trúc cùa FeMOF đánh giá có khả đóng vai trị axít Lewis nhiều phản ứng hữu Đã có nhiều nghiên cứu khả sử dụng vị trí tâm Fe FeMOF làm xúc tác quang hóa cho số phản ứng phân hủy chất màu hữu Rhodamine B (RhB), methylene blue (MB) pnitrophenol (PNP) cho kết phân hủy tốt, đó, hướng ứng dụng tiềm Fe-MOF việc góp phần loại bỏ chất thải gây ô nhiễm môi trường Nhằm nâng cao hiệu vật liệu cho ứng dụng sằn có mở nhiều ứng dụng mới, Fe-MOF pha tạp kết hợp với nhiều kim loại khác thu hút nhiều quan tâm năm gần đây, kết họp có the tăng cường hoạt tính chúng hướng nghiên cứu này, tập trung vào khảo sát ảnh hưởng nồng độ tác chất, phương pháp loại bỏ chất chưa phản ứng tong họp Fe-MOF khả hấp phụ chất màu hữu Fe-MOF biến tính sau tong hợp Theo tìm hiểu chúng tôi, nghiên cứu nước trước chưa tập trung vào tống họp cấu trúc Fe-MOF biến tính với Mg2", Cu2+, Co2 Mn2 ứng dụng vào phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy hợp chất hữu độc hại tác nhân ánh sáng mặt trời ánh sáng nhìn thấy Do đó, dựa sở khoa học thực tiễn thực đe tài: "‘'Nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu lưỡng kim loại ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu cơ" Trong nghiên cứu này, vật liệu khung hữu - kim loại Fe-MOF biến tính với Mg2+, Cu2', Co2 Mn2+ tổng hợp thành công thông qua phương pháp nhiệt dung môi Vật liệu đặc trưng cấu trúc phương pháp phân tích đại XRD, SEM, FT-IR Hoạt tính quang xúc tác vật liệu đánh giá thông qua phản ứng quang phân hủy họp chất hữu (Rhodamine B) sử dụng ánh sáng nhìn thấy X ... tiễn thực đe tài: "‘ ''Nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu lưỡng kim loại ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu cơ" Trong nghiên cứu này, vật liệu khung hữu - kim loại Fe-MOF biến tính... lượng kim loại Fe-MOF Báo cáo tong hợp vật liệu khung hữu lưỡng kim loại ứng dụng làm xúc tác quang hóa xử lý chất màu hữu - Quy trình tong hợp vật liệu lượng kim loại Fe-MOF - Báo cáo tổng hợp vật. .. 2021 NGHIÊN CỨU TỐNG HỢP VẬT LIỆU KHUNG HỮU Cơ LƯỠNG KIM LOẠI VÀ ỨNG DỤNG LÀM xúc TÁC QUANG HÓA XỬ LÝ CHẤT MÀU HỮU Tên đề tài: Số hợp đồng: 2021.01.03/HĐ-K.HCN Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Kim Ngân