(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa

(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa(Khóa luận tốt nghiệp) Nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác quang nano Ti2O.Fe2O3 bằng phương pháp đồng kết tủa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ XÚC TÁC QUANG NANO Ti2O.Fe2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ XÚC TÁC QUANG NANO Ti2O.Fe2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA GVHD: ThS NGUYỄN XUÂN THƠM SVTH: NGUYỄN THỊ VIỆT HẰNG MSSV: 34106019 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2012 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Xuân Thơm – người thầy tận tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình thực hồn thành khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, mơn hóa vơ – Trường Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt cho tơi kiến thức bổ ích suốt q trình theo học trường Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh chị cơng tác phịng Cơng nghệ hợp chất vơ – Viện Cơng nghệ Hóa học tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu tạo điều kiện thuận lợi để tơi tiếp cận vận dụng kiến thức học vào thực tế Cuối xin cảm ơn tất người thân bạn bè động viên suốt thời gian qua Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CÁC Q TRÌNH QUANG HĨA XÚC TÁC BÁN DẪN [1, 8] 1.1.1 Giới thiệu q trình quang hóa xúc tác bán dẫn 1.1.2 Quá trình quang hóa xúc tác bán dẫn 1.1.3 Các đặc tính quan trọng liên quan đến hoạt tính xúc tác 1.2 TỔNG QUAN VỀ TiO [8, 3, 4] 1.2.1 Các dạng tồn 1.2.2 Tính chất vật lý [8] 10 1.2.3 Tính chất hóa học [8] 11 1.2.4 Các phương pháp chế tạo TiO công nghiệp [3, 4] 14 1.3 TỔNG QUAN VỀ SẮT [7] 19 1.3.1 Các dạng tồn 19 1.3.2 Trạng thái thiên nhiên 19 1.3.3 Tính chất vật lý 19 1.3.4 Tính chất hóa học 20 1.4 BIẾN TÍNH XÚC TÁC TiO [6] 21 1.5 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA [2] 22 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ CỦA CHẤT XÚC TÁC VÀ PHÂN TÍCH SẢN PHẨM 23 1.6.1 Nghiên cứu đặc trưng hóa lý chất xúc tác 23 1.6.2 Phương pháp phân tích sản phẩm 29 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 31 2.1 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ 31 SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm 2.1.1 Hóa chất 31 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm thiết bị 31 2.2 THỰC NGHIỆM 32 2.2.1 Sơ đồ thực nghiệm điều chế TiO Fe O 32 2.2.2 Các thí nghiệm điều chế xúc tác 33 2.3 THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA MẪU 36 2.4 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH HĨA LÝ CỦA XÚC TÁC 36 2.5 NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA SẢN PHẨM 36 2.5.1 Xác định hàm lượng titan 36 2.5.2 Xác định hàm lượng sắt [5, 9] 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA TiO THÀNH DẠNG DỄ TAN 41 3.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ TiO :NaOH đến trình phân hủy TiO 41 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian đến trình phân hủy TiO 42 3.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng axit đến q trình hịa tan 42 3.2 ĐIỀU CHẾ HỆ XÚC TÁC Ti-Fe BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 52 4.1 KẾT LUẬN 53 4.2 ĐỀ XUẤT 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm MỞ ĐẦU Titan nguyên tố phổ biến thiên nhiên, chiếm 0.63% khối lượng vỏ trái đất, tồn khống vật rutile (TiO ), ilmenit (Fe TiO ), peroskit (CaTiO ) Titanium dioxide (TiO ) chất xúc tác bán dẫn Gần kỷ trở lại đây, bột TiO với kích thước cỡ µm điều chế quy mô công nghiệp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn cao su, nhựa, giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ… Gần đây, TiO tinh thể kích thước nm dạng thù hình rutile, anatase, hỗn hợp rutile anatase, brookite nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nước làm vật liệu quang xúc tác tổng hợp hợp chất hữu cơ, xử lý môi trường, chế tạo sơn tự làm sạch, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến lĩnh vực diệt khuẩn Sự phát triển mạnh thiếu kiểm soát số ngành kinh tế tạo ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Việc sử dụng tràn lan chất bảo vệ thực vật sản xuất nông nghiệp làm cho mức độ ô nhiễm nguồn nước ngày nghiêm trọng, gây bệnh cho người ảnh hưởng không nhỏ đến ngành nghề khác Nhưng loại chất xử lý đắt tiền khó thực Mối quan hệ trái ngược phát triển kinh tế ô nhiễm mơi trường sống giải dựa phát triển công nghệ nano với loại vật liệu điển hình nano TiO Các ứng dụng vật liệu TiO kích thước nm chủ yếu dựa vào tính oxy hố khử mạnh Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền không độc, vật liệu TiO cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng thách thức từ ô nhiễm Tuy nhiên độ rộng vùng cấm titanium dioxide lớn (3.25 eV anatase 3.05 eV rutile) nên ánh sáng tử ngoại (UV) với bước sóng λ < 380 nm kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn gây tượng quang xúc tác Điều hạn chế khả quang xúc tác titanium dioxide, thu hẹp phạm vi ứng dụng vật liệu Để sử dụng ánh sáng khả kiến vào trình quang xúc tác titanium dioxide, cần thu hẹp vùng cấm Để thực mục đích nhiều ion kim loại phi kim sử dụng để thay đổi thù hình titanium dioxide Có thể thực thay đổi cấu trúc titanium dioxide phương pháp: sol – gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa,… thay đổi bề mặt với phương pháp tẩm, nhúng, phun, hấp phụ,… SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm Sở dĩ khóa luận nghiên cứu biến tính TiO kích thước nm sắt hợp chất chứa sắt (FeSO 7H O) giá thành thấp dễ sử dụng so với kim loại phi kim khác Với mong muốn tạo loại xúc tác quang có khả hấp thu ánh vùng ánh sáng khả kiến, có giá thành thấp, ứng dụng rộng rãi, lựa chọn tiến hành khảo sát dùng sắt biến tính TiO phương pháp đồng kết tủa – phương pháp tương đối dễ thực SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CÁC Q TRÌNH QUANG HĨA XÚC TÁC BÁN DẪN [1, 8] 1.1.1 Giới thiệu trình quang hóa xúc tác bán dẫn Q trình quang hóa xúc tác bán dẫn q trình oxy hóa gốc hydroxyl, *OH, sinh nhờ xúc tác bán dẫn tác dụng ánh sáng Trong vật liệu bán dẫn vật liệu có tính chất trung gian vật liệu dẫn điện vật liệu cách điện Với vật liệu bán dẫn, vùng dẫn vùng hóa trị cách hố ngăn cách lượng E bg (năng lượng vùng cấm) nhỏ 3,5 eV 1.1.2 Q trình quang hóa xúc tác bán dẫn Q trình quang hóa xúc tác bán dẫn bao gồm nhiều loại phản ứng oxi hóa khử, dehydro hóa, chuyển hydrogen, phản ứng tách chất độc hại khỏi nước… Q trình thực nhiều mơi trường khác nhau: pha khí, pha lỏng Tồn q trình quang hóa xúc tác bán dẫn chia làm giai đoạn sau: - Chuyển chất phản ứng từ pha thể tích lên bề mặt xúc tác - Hấp phụ chất phản ứng bề mặt xúc tác - Phản ứng lớp hấp phụ - Giải hấp phụ cho sản phẩm - Chuyển chất hấp phụ từ bề mặt xúc tác vào pha thể tích Khi kích thích ánh sáng có lượng lớn lượng vùng cấm E bg , electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Kết bề mặt chất bán dẫn hình thành cặp electron quang sinh mang điện tích âm (e- CB ) - lỗ trống quang sinh mang điện tích dương (h+ VB ) Chính electron lỗ trống ngun nhân dẫn đến q trình hóa học xảy bao gồm q trình oxy hóa với h+ VB khử với e- CB Khả khử oxy hóa chúng cao nhiều so với tác nhân oxy hóa khử biết đến hóa học Một số chất bán dẫn kim loại đơn giản sunfua kim loại có lượng vùng cấm nhỏ 3.5 eV TiO (E bg = 3.2 eV), WO (E bg = 2.8 eV), CdS (E bg = 2.5 eV), … theo lý thuyết làm chất xúc tác quang, thực tế số chất có TiO thích hợp có hoạt tính cao, trơ mặt hóa học, giá thành khơng q đắt không độc hại với môi trường 1.1.3 Các đặc tính quan trọng liên quan đến hoạt tính xúc tác  Kích thước hạt SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng Khóa luận tốt nghiệp 2012 GVHD: ThS Nguyễn Xuân Thơm Q trình quang xúc tác đạt hiệu kích thước hạt bán dẫn nhỏ, phải giảm kích thước hạt để tăng hiệu xúc tác Tốc độ tạo thành gốc *OH quang xúc tác gắn liền với tạo thành e- CB vùng dẫn h+ VB vùng hóa trị Quá trình kết hợp e- CB h+ VB làm giảm khả tạo thành *OH, từ làm giảm hiệu xúc tác TiO Quá trình điều chế sử dụng TiO dạng vi hạt (kích thước nhỏ 0.1 µm) làm hạn chế q trình tái kết hợp e- CB h+ VB Đồng thời kích thước hạt xúc tác nhỏ tổng diện tích bề mặt xúc tác lớn, khả tiếp nhận ánh sáng tiếp xúc với tác chất tăng lên, làm tăng hiệu trình  Thành phần pha anatase rutile Anatase dạng sử dụng chủ yếu phản ứng quang hóa hoạt tính quang cao rutile Sự khác đặc tính quang hai cấu trúc nhiều nguyên nhân, ngun nhân tốc độ tái kết hợp electron sinh quang lỗ trống sinh quang rutile cao nhiều so với anatase Tuy nhiên nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy hoạt tính quang hóa xúc tác TiO khơng tăng đồng biến với lượng anatase mà đạt tối ưu với tỷ lệ cấu trúc anatase/rutile thích hợp  Tính chất hấp phụ Tính chất hấp phụ định yếu tố bề mặt xúc tác Chất xúc tác có tổng diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao dễ dàng hấp phụ chất phản ứng  Cường độ chiếu tia sáng Hoạt tính xúc tác quang chịu ảnh hưởng lớn cường độ tia sáng, bước sóng ánh sáng ngắn có lượng lớn đủ kích thích electron chất bán dẫn nhảy khỏi vùng hóa trị 1.2 TỔNG QUAN VỀ TiO [8, 3, 4] 1.2.1 Các dạng tồn Trong thiên nhiên TiO tồn ba dạng tinh thể anatase, rutile brookite (orthorhombic) (Hình 1) SVTH: Nguyễn Thị Việt Hằng ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ XÚC TÁC QUANG NANO Ti2O.Fe2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG... 20 1.4 BIẾN TÍNH XÚC TÁC TiO [6] 21 1.5 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA [2] 22 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ CỦA CHẤT XÚC TÁC VÀ PHÂN TÍCH SẢN... lượng axit đến q trình hịa tan 42 3.2 ĐIỀU CHẾ HỆ XÚC TÁC Ti-Fe BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 52 4.1 KẾT LUẬN 53 4.2 ĐỀ XUẤT