BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THANH TUẤN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO H ZnO Chuyên ngành Vật lý chất rắn Mã số 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn PGS TS[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THANH TUẤN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO H-ZnO Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS NGUYỄN MINH VƢƠNG TS NGUYỄN TẤN LÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơng TS Nguyễn Tấn Lâm Trƣờng Đại học Quy Nhơn Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực không chép từ công bố tác giả khác Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Tuấn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, chân thành cảm ơn đến thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơng TS Nguyễn Tấn Lâm tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức lý thuyết thực hành chun mơn nhƣ phân tích tổng quan báo khoa học ngồi nƣớc có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, đồng thời dẫn tận tình kinh nghiệm làm thực nghiệm để tơi hoàn thành đƣợc luận văn Trong suốt thời gian học tập thực luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn, hết lịng tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành mơn học chƣơng trình đào tạo hồn thành luận văn Xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới bạn học viên nhóm làm luận văn dƣới hƣớng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Vƣơng bạn học viên lớp cao học Vật lý chất rắn K23 Trong suốt thời gian làm việc Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn, bạn nhiệt tình giúp đỡ, chia se hiểu biết kinh nghiệm để hoàn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tất ngƣời thân chia sẻ giúp đỡ q trình hồn thành luận văn Rất mong đƣợc góp ý, bảo q thầy/cơ để luận văn đƣợc hoàn thiện tốt Xin chúc quý thầy sức khỏe, hạnh phúc thành đạt Bình Định, tháng năm 2022 Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Tuấn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU ZnO 1.1.1 Chế tạo nano ZnO cách sử dụng hỗn hợp lớp hạt hạt nano ZnO Polyme Chitosan 1.1.2 Chế tạo ống nano ZnO phƣơng pháp hóa ƣớt nhiệt độ thấp .12 1.2 TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN ZnO 15 1.2.1 Tính chất quang xúc tác cấu trúc dị thể dựa ZnO 15 1.2.2 Tính chất xúc tác quang cấu trúc ZnO pha tạp 16 1.3 CƠ CHẾ QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU ZnO 19 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 21 2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO XỬ LÝ H2 21 2.2 QUY TRÌNH KHẢO SÁT HIỆU ỨNG XÚC TÁC QUANG 25 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU 29 2.3.1 Phép đo nhiễu xạ tia X 29 2.3.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét 29 2.3.4 Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến 30 2.3.5 Phƣơng pháp phổ hấp thụ UV-Vis 30 2.3.6 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 TÍNH CHẤT HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC VẬT LIỆU: 31 3.1.1 Kết đo SEM 31 3.1.2 Kết đo XRD 32 3.2 TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU 34 3.2.1 Kết đo phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu 34 3.2.2 Kết đo phổ huỳnh quang 36 3.3 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MB 37 3.4 HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC 39 3.5 CƠ CHẾ XÚC TÁC QUANG 45 KẾT LUẬN 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Cụm từ tiếng anh Nghĩa tiếng việt SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Tia tử ngoại UV-Vis Ultraviolet - visible Tia tử ngoại – ánh sáng khả kiến XRD X- ray difractinon Phổ nhiễu xạ tia X PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang CB Conduction Bands Vùng dẫn VB Valence band Vùng hóa trị Eg Band gap energy Năng lƣợng vùng cấm O2- Superoxide ion radical Ion gốc siêu oxit OH• Hydroxyl radical Gốc hydroxyl MB Methylen blue Xanh mê ty len ZnO Zinc oxide Oxit kẽm HR TEM High-resolution Transmission EDX Kính hiển vi điện tử truyền qua Electron Microscopy có độ phân giải cao Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lƣợng spectroscopy TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy UV-Vis Ultraviolet-Visible Diffuse DRS Reflectance Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc ZnO Hình 1.2 Mơ hình cấu trúc Wurtzite ZnO Hình 1.3 Phổ XRD nano ZnO đƣợc chế tạo phƣơng pháp dung dịch sử dụng mầm hạt nano ZnO chitosan với lƣợng hạt nano ZnO khác 10 Hình 1.4 Hình ảnh FESEM nano ZnO đƣợc chế tạo phƣơng pháp dung dịch sử dụng chitosan với lƣợng hạt nano ZnO khác 11 Hình 1.5 Hình ảnh HRTEM nano ZnO đƣợc chế tạo sử dụng mầm ZnO có dung dịch chitosan 12 Hình 1.6 Mẫu XRD ống nano ZnO đƣợc điều chế nhiệt độ thấp 13 Hình 1.7 Ảnh FESEM; TEM ; SAED ; HRTEM ống nano ZnO 14 Hình 1.8 Cơ chế chia tách hạt tải cấu trúc ZnO/TiO2xNy 16 Hình 1.9 Các trình xảy bề mặt vật liệu ZnO dƣới tác dụng ánh sáng xúc tác 20 Hình 2.1 Hình ảnh tiền chất ban đầu 21 Hình 2.2 Một số hỉnh ảnh trình khuấy trộn dung dịch 21 Hình 2.3 Hình ảnh ủ nhiệt dung dịch 22 Hình 2.4 Hình ảnh quay li tâm tách nƣớc khỏi vật liệu 22 Hình 2.5 Hình ảnh vật liệu ZnO sau sấy khô 23 Hình 2.6 Một số dụng cụ, thiết bị nung ủ vật liệu ZnO môi trƣờng hydro 23 Hình 2.7 Vật liệu ZnO sau ủ môi trƣờng Hydro nhiệt độ khác 25 Hình 2.8 Hình ảnh trình phân tán ZnO vào dung dịch MB 26 Hình 2.9 Hình ảnh sản phẩm sau quay ly tâm tách bột H-ZnO ủ môi trƣờng Hydro nhiệt độ 400C khỏi dung dịch MB đƣợc chạy xúc tác quang đèn led xanh dƣơng 28 Hình 2.10 Hình ảnh trình khảo sát hiệu ứng xúc tác quang 28 Hình 2.11 Hình ảnh sản phẩm sau quay ly tâm tách bột H-ZnO ủ môi trƣờng Hydro nhiệt độ 400C khỏi dung dịch MB đƣợc chạy xúc tác quang tia UV 29 Hình 2.12 Quá trình đo phổ hấp thụ UV-Vis 29 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) với độ phóng đại 60k 31 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) với độ phóng đại 20k 32 Hình 3.3 Phổ XRD mẫu ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, HZnO/450 H-ZnO/500 33 Hình 3.4 Phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu ZnO, H-ZnO/350, HZnO/400, H-ZnO/450 H-ZnO/500 34 Hình 3.5 Bờ hấp thụ vật liệu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) H-ZnO/500 (e) 35 Hình 3.6 Phổ huỳnh quang mẫu ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 H-ZnO/500 36 Hình 3.7 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis MB sau thời gian khuấy 30 phút bóng tối trƣờng hợp có khơng có vật liệu xúc tác ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 HZnO/500; (b) Khả hấp phụ MB mẫu ZnO, HZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 H-ZnO/500 38 Hình 3.8 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả suy giảm nồng độ dung dịch MB chất xúc tác dƣới tác dụng tia tử ngoại UV 254 nm mẫu ZnO H-ZnO/350 40 Hình 3.9 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả suy giảm nồng độ dung dịch MB chất xúc tác dƣới tác dụng tia tử ngoại UV 254 nm mẫu H-ZnO/400, H-ZnO/450 H-ZnO/500 41 Hình 3.10 (a) Sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV thu đƣợc từ phổ UV-Vis (b) Đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy MB theo thời gian mẫu ZnO, HZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 H-ZnO/500 42 Hình 3.11 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả suy giảm nồng độ dung dịch MB sử dụng chất xúc tác ZnO (a) H-ZnO/400 (b) dƣới ánh sáng nhìn thấy dùng đèn Led xanh dƣơng 44 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy MB theo thời gian sử dụng chất xúc tác ZnO (a) H-ZnO/400 (b) dƣới ánh sáng nhìn thấy dùng đèn Led xanh dƣơng 45 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Trong năm gần đây, việc thực cải tạo tái sử dụng nƣớc đƣợc toàn giới quan tâm nhanh chóng tình trạng khan nƣớc xảy biến đổi khí hậu quản lý tài nguyên nƣớc Tiếp cận nƣớc trở thành vấn đề ngày gia tăng kinh tế toàn cầu mở rộng quốc gia đông dân [1] Một giải pháp hấp dẫn để ứng phó với vấn đề nƣớc thực dự án cải tạo tái sử dụng nƣớc thải để đảm bảo quản lý phát triển nƣớc bền vững Tuy nhiên, lo ngại nảy sinh thực tế chất ô nhiễm hữu khó phân hủy tồn nƣớc qua xử lý Các chất ô nhiễm hữu chất hóa học gốc carbon có khả hủy hoại mơi trƣờng liên tục đƣợc thải môi trƣờng Các chất ô nhiễm hữu gây hại nghiêm trọng cho ngƣời động vật khả phân hủy sinh học đặc tính gây ung thƣ tự nhiên Các công nghệ xử lý tiên tiến quan trọng để đảm bảo nƣớc thu hồi khơng có chất hữu khó phân huỷ Các kỹ thuật xử lý nƣớc khác đƣợc sử dụng để loại bỏ chất ô nhiễm hữu khỏi dòng nƣớc bao gồm hấp phụ, tách màng đơng tụ [2]; nhiên q trình cô đặc thay đổi chất ô nhiễm hữu khó phân hủy từ nƣớc sang pha rắn Do đó, cần phải có thêm chi phí phƣơng pháp xử lý để xử lý chất ô nhiễm thứ cấp tái tạo chất hấp phụ [3] Vì lý này, q trình oxy hóa nâng cao đƣợc đề xuất để loại bỏ chất ô nhiễm hữu khó phân hủy, đặc biệt chất có khả phân hủy sinh học thấp Q trình oxy hóa q trình liên quan đến việc tạo chỗ chất oxy hóa hóa học mạnh với hỗ trợ ozone (O3), hydrogen peroxide (H2O2), thuốc thử Fenton, tia UV ... h? ?nh thái, cấu trúc tính chất quang, điện vật liệu ZnO o Nghiên cứu tính chất xúc tác quang h? ?? vật liệu chế tạo đƣợc ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: o Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu h? ??t nano ZnO. .. tạo nghiên cứu tính chất xúc tác quang vật liệu nano H- ZnO? ?? nhằm mục đích nghiên cứu ảnh h? ?ởng sai h? ??ng nút khuyết oxy bề mặt lên khả h? ??p thụ ánh sáng vùng khả kiến nhƣ hi vọng có chia tách h? ??t... ống nano ZnO phƣơng pháp h? ?a ƣớt nhiệt độ thấp .12 1.2 TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN ZnO 15 1.2.1 Tính chất quang xúc tác cấu trúc dị thể dựa ZnO 15 1.2.2 Tính chất xúc tác quang