Luận văn nghiên cứu đặc trưng tương tác plasmonic giữa các hạt nano kim loại với quantum dot, đơn phân tử chất màu

MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trường bị ô nhiễm ngày nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe đời sống người toàn giới Các ngành công nghiệp, nông nghiệp ngày thải môi trường lượng lớn chất nhiễm khó xử lý Các phương pháp xử lý ô nhiễm đưa để khắc phục nhiều hạn chế Đặc biệt tác nhân khó xử lý gây nhiễm nguồn nước thuốc nhuộm Thuốc nhuộm nồng độ thấp ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh đặc biệt, chất thải công nghiệp in nhuộm có chứa số loại chất tạo màu, khó xử lý phương pháp sinh học Các chất ô nhiễm thuốc nhuộm từ ngành dệt may nguồn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Thật vậy, dòng nước thải độc hại phân hủy sinh học; điều hàm lượng thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt chất phụ gia cao thường hợp chất hữu phức tạp Hơn nữa, chúng có khả chống phá hủy phương pháp xử lý vật lý hóa học Do đó, cần phải tìm phương pháp xử lý nước thải hiệu để loại bỏ màu độc tính tương đối thuốc nhuộm nước thải Tuy nhiên, phân hủy quang xúc tác công nghệ làm hiệu để phân hủy nước thải chất ô nhiễm hữu thành hợp chất hữu dễ phân hủy độc Hơn nữa, cơng nghệ đầy hứa hẹn đạt hiệu cao tính đơn giản, chi phí thấp, khơng độc hại, hiệu suy thoái cao độ ổn định tốt Kể từ hoạt tính quang xúc tác phát titanium dioxide (TiO2) chất bán dẫn sử dụng rộng rãi lĩnh vực mơi trường (khơng khí lọc nước), lượng (tách nước, tế bào quang điện), y học (điều trị ung thư, kháng khuẩn), cảm biến khí phân tích nước Vật liệu hiệu do: thể tính oxy hóa mạnh, đặc tính quang điện tử thú vị, ổn định quang hóa tốt, khơng độc hại chi phí thấp Tuy nhiên sử dụng vật liệu gặp hai giới hạn lớn: hấp thụ chủ yếu nằm dải UV chiếm 3-5% quang phổ mặt trời hiệu suất bị hạn chế tái tổ hợp sau kích thích Do đó, nhiều nghiên cứu nhằm thay đổi vùng cấm để dịch chuyển phổ háp thụ sang vùng nhìn thấy để tận dụng phần ánh sáng mặt trời và/hoặc giảm tái tổ hợp electron/lỗ trống chế mát lớn Việc biến đổi bề mặt hạt nano TiO2 với ion kim loại quý Pt, Ag, Pd Au cho phép tăng hiệu quang xúc tác Chẳng hạn tổ hợp hạt nano Au/TiO2 hấp thụ mạnh vùng ánh sáng khả kiến nhờ vào cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) electron tự Hiệu suất quang hoá cải thiện vùng ánh sáng tia cực tím truyền tải điện bề mặt tốt có hạt kim loại, tính chất quang hố vùng nhìn thấy xuất SPR cho phép hệ phức hợp hấp thụ ánh sáng khả kiến Gắn kết hạt nano plasmon kim loại màu vàng, bạc đồng hứa hẹn cách tiếp cận nhiều triển vọng nhằm tăng hiệu suất quang hoá TiO2 nhờ tượng tăng cường cộng hưởng plasma bề mặt định xứ Để gắn kết hạt nano kim loại lên bề mặt hạt nano TiO2, hạt nano TiO2 phương pháp plasma tương tác dung dịch phương pháp đầy khả quan mang lại hiệu cao Trong nghiên cứu đánh giá khả xử dụng phương pháp plasma tương tác dung dịch để biến tính TiO2 tạo nanocomposite Au/TiO2 Mục đích đề tài : Nghiên cứu khả biến tính vật liệu quang xúc tác TiO2 phương pháp plasma tương tác dung dịch nhằm rút ngắn thời gian biến tính, giảm hố chất sử dụng tăng cường tính chất quang xúc tác TiO2 Phương pháp nghiên cứu: Luận văn tiến hành chủ yếu phương pháp thực nghiệm Nội dung luận văn gồm - Chế tạo vật liệu composite từ việc gắn AuNPs lên TiO2 - Khảo sát cấu trúc tính chất quang vật liệu Chúng tơi sử dụng phương pháp: Phương pháp chế tạo plasma – dung dịch để biến tính mặt TiO2 chế tạo hạt nano - Đo quang phổ hấp thụ UV-vis, - Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan Trong chương này, trình bày tổng quan quang xúc tác, vật liệu quang xúc tác titandioxit TiO2 vật liệu nanocomposite, hạt nano vàng AuNPs Trình bày Au/TiO2, N-TiO2 Việc gắn hạt nano lên đế TiO2 phương pháp plasma tương tác với dung dịch Chương 2: Thực nghiệm; Trong chương này, trình bày quy trình chế tạo hạt nano vàng AuNPs từ muối vàng HAuCl4; biến tính vật liệu TiO2, gắn AuNPs phương pháp plasma tương tác với dung dịch; đo thông số; khảo sát ảnh hưởng thời gian biến tính lên q trình gắn kết AuNPs TiO2 Giới thiệu phương pháp phân tích đo phổ hấp thụ UV – Vis, ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua Chương 3: Kết thảo luận Trong chương này, phân tích phổ hấp thụ dung dịch thu để đánh giá khả biến tính vật liệu plasma, ảnh hưởng nồng độ H2O2 việc biến tính TiO2 cách so sánh thời gian làm màu xanh methylen (MB) gắn hạt nano Au lên vật liệu xử lý Phân tích hình thái học phổ hấp thụ để đánh giá khả chế tạo vật liệu composite phương pháp plasma tương tác với dung dịch Chương 4: Kết Luận Mục tiêu đề tài hướng tới biến tính TiO2 phương pháp plasma tương tác dung dịch dẫn đến việc gắn nano Au vào TiO2 đơn giản hơn, chất lượng mẫu vật liệu tốt CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 QUANG XÚC TÁC BÁN DẪN Quang xúc tác trở thành lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu phù hợp thực tế việc xử lý khơng khí nước bị ô nhiễm, bề mặt tự làm sạch, bề mặt tự khử trùng tạo hydro lượng ánh sáng mặt trời Nhiều chất bán dẫn oxit cho thấy hiệu suất thực tế chất xúc tác quang khử trùng khử độc nước [1] Chất bán dẫn đóng vai trị chất xúc tác quang cho q trình oxi hóa khử ánh sáng mặt trời cấu trúc điện tử chúng, đặc trưng khoảng cách phù hợp vùng hóa trị (VB) vùng dẫn trống (CB) [2] (hình 1.1.) Hình 1 Q trình oxi hóa khử số bán dẫn chiếu sáng Các oxit kim loại thể ổn định tốt nhiều nước TiO2 sử dụng rộng rãi chủ yếu tính khơng độc hại, khơng tan nước, ưa nước, sẵn có giá rẻ, ổn định chống ăn mịn Hơn nữa, TiO2 hỗ trợ chất khác thủy tinh, sợi vật liệu vô Tuy nhiên, khoảng cách vùng cấm TiO2 (≈ 3,2 eV) địi hỏi bước sóng kích thích rơi vào vùng tử ngoại (UV) [3] Lĩnh vực quang xúc tác nghiên cứu mở rộng nhanh chóng bốn thập kỷ qua, trải qua phát triển khác nhau, đặc biệt liên quan đến lượng môi trường Hai ứng dụng quan trọng quang xúc 10 tác tách nước ánh sáng mặt trời lọc khơng khí nước có chứa nồng độ chất nhiễm thấp Chất xúc tác dị thể phân biệt với chất xúc tác đồng thể giai đoạn khác có thời gian phản ứng Chất xúc tác đồng thể có mặt pha với chất phản ứng sản phẩm, thường chất lỏng, chất xúc tác dị thể có mặt pha khác, thường chất rắn Ưu điểm việc sử dụng chất xúc tác không đồng dễ dàng tách chất xúc tác khỏi dòng sản phẩm hỗ trợ việc tạo q trình hóa học liên tục Ngoài ra, chất xúc tác dị thể thường có khả chịu đựng điều kiện phản ứng khắc nghiệt so với chất tương tự thể [4] Một phản ứng phản ứng xúc tác quang dị thể bao gồm năm giai đoạn: 1) Chuyển khối lượng chất ô nhiễm hữu từ pha lỏng sang bề mặt xúc tác rắn; 2) Sự hấp phụ chất gây nhiễm hữu lên bề mặt kích hoạt photon (tức kích hoạt bề mặt lượng photon xảy đồng thời bước này); 3) Phản ứng quang xúc tác cho pha hấp phụ bề mặt xúc tác; 4) Nhả hấp phụ sản phẩm 5) Khuếch tán sản phẩm vào pha khí lỏng [5] Khi chất xúc tác bán dẫn (SC) chiếu sáng photon có lượng lớn lượng độ rộng vùng cấm chúng EG (hν ≥ EG), có hấp thụ photon tạo cặp lỗ trống electron Các electron chuyển lên vùng dẫn (quang electron), cịn lỗ trống lại vùng hố trị (hình 1.1.) Đồng thời, với có mặt pha lỏng (khí lỏng), hấp phụ tự phát xảy theo tiềm oxy hóa khử chất hấp phụ Khi electron vùng dẫn chuyển đến nơi có phân tử có khả nhận electron (A) trình khử xảy ra, cịn lỗ trống chuyển đến nơi có phân tử có khả cho electron (D) để thực phản ứng oxy hoá: 11 - hυ + (SC) → e- + h+ - A(ads) + e- → A- (ads) - D(ads) + h+ → D+ (ads) Các ion A- (ads) D+ (ads) sau hình thành phản ứng với qua chuỗi phản ứng trung gian sau cho sản phẩm cuối Electron lỗ trống kết hợp lại, giải phóng lượng ánh sáng hấp thụ dạng nhiệt, khơng xảy phản ứng hóa học Mặt khác, chúng tham gia vào phản ứng oxi hóa khử với chất bị hấp phụ lỗ trống vùng hóa trị bị oxy hóa mạnh electron vùng dẫn giảm mạnh Trên bề mặt chất bán dẫn, electron bị kích thích lỗ trống tham gia phản ứng oxi hóa khử với nước, ion hydroxit (OH−), hợp chất hữu oxy dẫn đến q trình khống hóa chất nhiễm (hình 1.1.) [6] Trên thực tế, nghiên cứu cho thấy điện tích phản ứng trực tiếp với chất ô nhiễm bị hấp phụ, phản ứng với nước chủ yếu Do đó, q trình oxy hóa nước OH− tạo gốc hydroxyl (·OH), chất oxy hóa mạnh mẽ Với có mặt phân tử hữu (M) hấp phụ bề mặt chất xúc tác, gốc hydroxyl chất oxy hóa Các gốc OH phản ứng để tạo sản phẩm cộng, sau phân mảnh cấu trúc phân tử thành số dạng trung gian tồn khống hóa dẫn đến hình thành CO2 H2O Các dạng oxy hóa khác, HOO H2O2, tạo từ việc khử phân tử oxy; H2O2 trải qua q trình giải hấp phụ từ bề mặt xúc tác, chiếu xạ UV, hình thành gốc hydroxyl đóng góp q trình khơng phải quan trọng Suy giảm quang xúc tác đòi hỏi điều kiện nhiệt độ áp suất thấp làm tăng khả sử dụng tài nguyên thiên nhiên ánh sáng mặt trời, điều giúp tiết kiệm kinh tế đáng kể Các ưu điểm khác là: không cần chất phụ gia, sử dụng hóa chất rẻ tiền, tổng khống hóa đạt cho nhiều chất 12 nhiễm hữu cơ, phù hợp với nồng độ thấp, kết hợp với phương pháp phân hủy khác Nói chung, tất vật liệu quang xúc tác diện tích bề mặt tiếp xúc lớn tốc độ phản ứng cao Kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn hoạt động quang xúc tác mạnh Nên năm gần đây, phát triển oxit kim loại có kích thước nano làm tăng đáng kể hoạt động xúc tác nhờ vào diện tích bề mặt riêng cao Ngoài ra, chiến lược thay đổi độ rộng vùng cấm chất xúc tác cách tiếp cận quan trọng điều định phần quang phổ mặt trời mà chất xúc tác hấp thụ Do đó, lượng lượng chuyển đổi thành phản ứng quang xúc tác Các chất quang xúc tác có hoạt động cao sử dụng bước sóng ánh sáng phổ khả kiến (380nm