Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 1/2020 VẬT LIỆU NANO ZrO2 Bi(III) TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY PHẨM NHUỘM DIRECT YELLOW GX Đến tòa soạn 30 12 2019 Ng[.]
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 1/2020 VẬT LIỆU NANO ZrO2:Bi(III): TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY PHẨM NHUỘM DIRECT YELLOW GX Đến tòa soạn 30-12-2019 Nguyễn Văn Hải, Đào Thị Vân Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội SUMMARY ZrO2:Bi(III) NANOCRYSTALS: SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF PHOTOCATALYTIC BEHAVIOUR IN THE REACTION OF DECOMPOSITION OF DIRECT YELLOW GX Doped samples were successfully synthesized using two methods: combustion and hydrothermalcalcination The amount of Bi(III) dopant over zirconium dioxide was 10% molar The samples have been studied via X-ray diffraction measurements for the structural characterization Scanning electron microscopy was used to obtain information about the surface topography, Branauer-Emmett-Teller (BET) technique for the measurement of the specific surface area and diffuse reflectance UV–Vis spectroscopy for the optical analysis Then the as-prepared samples was investigated their photocatalytic activity in the reaction of degradation of Direct Yellow GX aqueous solution under visible-light Keywords: zirconium dioxide, bismuth-doped, Direct Yellow GX, photocatalytic activity MỞ ĐẦU Hiện nay, chất phẩm nhuộm nguồn gây ô nhiễm nguồn nước chủ yếu làng nghề dệt vải Để xử lí nhiễm, vật liệu zirconium oxide sử dụng làm xúc tác quang phân hủy hợp chất màu Hoạt tính xúc tác vật liệu bán dẫn cải thiện pha tạp ion kim loại chuyển tiếp họ d họ f [1,2] Trong nghiên cứu này, vật liệu ZrO2:Bi(III) tổng hợp phương pháp đốt cháy thủy nhiệt-nung dùng làm xúc tác quang phân hủy loại phẩm nhuộm màu vàng nhạt Direct Yellow GX (C30H26N4Na2O8S2), viết tắt DYG THỰC NGHIỆM 2.1 Tổng hợp vật liệu a) Tổng hợp phương pháp đốt cháy Trộn dung dịch ZrO(NO3)2 với dung dịch Bi(NO3)3, thêm ure tạo thành dung dịch đồng Khuấy hỗn hợp 80oC cô đến cạn, lấy tiền chất nung 600oC Toàn trình tổng hợp vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC biểu diễn Hình 76 2.2 Xác định cấu trúc Vật liệu ZrO2:Bi(III) xác định cấu trúc hình thái đặc trưng phương pháp XRD, UV-Vis, SEM, EDS BET Giản đồ XRD ghi máy Siemens D5005 với xạ Cu Kα Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Ảnh SEM mẫu ghi máy Hitachi S-4800 Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Giản đồ TGA BET đo khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác Vật liệu xúc tác ZrO2:Bi(III) khảo sát với hàm lượng g/L, nồng độ DYG 30 ppm Đầu tiên, hệ xúc tác quang khấy từ 30 phút bóng tối để đạt cân hấp phụ DYG bề mặt xúc tác Sau đó, hệ xúc tác chiếu xạ ánh sáng bóng đèn sợi đốt 200W Mẫu dung dịch lấy định kì theo thời gian, li tâm đo quang bước sóng cực đại 396 nm để xác định nồng độ DYG lại dung dịch Nồng độ DYG xác định máy đo UV-Vis S60 Biochorom Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát điều kiện tổng hợp a) Khảo sát nhiệt độ nung Để xác định khoảng nhiệt độ nung thích hợp, vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC giai đoạn tiền chất được đo giản đồ phân tích nhiệt (Hình 3) Hình Sơ đồ tổng hợp vật liệu ZrO2:Bi(III) phương pháp đốt cháy b) Tổng hợp phương pháp thủy nhiệtnung Cho dung dịch Bi(NO3)3 vào dung dịch ZrO(NO3)2, khuấy Thêm dần dung dịch NH3 5M để điều chỉnh pH đến 12, khuấy từ 25oC Chuyển tồn hóa chất vào bình Teflon, nung nóng 200oC Lọc kết tủa hiđroxit, sấy khô tiếp tục nung 600oC giờ, thu vật liệu ZrO2:Bi(III)-TN Tồn q trình tổng hợp vật liệu ZrO2:Bi(III)-TN biểu diễn Hình Hình Giản đồ phân tích nhiệt mẫu ZrO2:Bi(III)-ĐC Sự giảm 31,1% khối lượng nung đến gần 200oC gán cho trình nước từ Hình Sơ đồ tổng hợp vật liệu ZrO2:Bi(III) phương pháp thủy nhiệt-nung 77 muối kép 0,9[ZrO(NO3)2·8H2O]0,1[Bi(NO3)3·5H2O], tương ứng với độ giảm 35,9% theo lí thuyết Sự giảm 44,9% nung đến khoảng 350oC quy kết cho phân hủy muối nitrat tạo oxit ZrO2:Bi(III), ứng với độ giảm 54,5% theo lí thuyết Giản đồ cho thấy từ 500oC mẫu gần không thay đổi khối lượng Do đó, vật liệu ZrO2:Bi(III) nung 600ºC để đảm bảo tinh thể ổn định b) Ảnh hưởng tỉ lệ mol tổng ion kim loại ure Tỉ lệ mol tổng ion kim loại ure khảo sát tỉ lệ : 5, : 10, : 15 : 20 Ở tỉ lệ : xuất pha tinh thể monoclinic, sau pha giảm dần, đến tỉ lệ : 20 cịn pha tetragonal (Hình 4) Các pic 30,4o, 35,2o, 50,4o 60,2o gán cho mặt phẳng phản xạ (101), (110), (112) (211) [2] Hình Giản đồ XRD vật liệu ZrO2:Bi(III)-TN Đối với vật liệu xúc tác quang, cấu trúc tinh thể hoàn thiện giảm khả tái hợp điện tử-lỗ trống (e -, h+), làm tăng hiệu suất phản ứng trung tâm tích điện với phân tử nước oxi hòa tan, tạo trung tâm hoạt động h+, ● OH, O 2 để phân hủy chất màu Dưới sơ đồ tạo tâm hoạt động vật liệu xúc tác ZrO2 [3]: UV-Vis ZrO2 ZrO2 (h e ) ZrO2 (e ) + O2 ZrO2 + O2 ZrO2 (h ) + H2O ZrO2 + OH + H 3.2 Xác định cấu trúc vật liệu Trước hết, cấu trúc vật liệu xác định phương pháp nhiễu xạ tia X Trên giản đồ XRD vật liệu ZrO2:Bi(III) tổng hợp xuất pha tinh thể ZrO2 Điều bước đầu cho thấy Bi(III) thay Zr(IV), đồng thời tạo lỗ trống O2- để trung hòa điện Tinh thể ZrO2 thường tồn hỗn hợp hai dạng thù hình: monoclinic tetragonal [2] Vật liệu pha tạp ZrO2:Bi(III) sau nung 600oC có cấu trúc tetragonal, ứng với nhóm điểm khơng gian P42/nmc Điều tương đồng nhận định tăng tỉ lệ pha tạp đất từ đến mol% (cả CeO2 Er2O3) dạng tetragonal chiếm ưu [1] Hình Giản đồ XRD vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC với tỉ lệ ure tăng từ : đến : 20 Theo kết phân tích nhiệt, mẫu ZrO2:Bi(III)TN sau trình thủy nhiệt tách lấy kết tủa hiđroxit nung 600oC, thu pha tinh thể ZrO2 dạng tetragonal (hình 5) 78 Bảng Giá trị kích thước trung bình (d) tinh thể ZrO2:Bi(III) Vật liệu ZrO2:Bi(III)ĐC ZrO2:Bi(III)TN β (rad) 2θ (o) d (nm) 0,0377 30,2 6,6 0,0336 30,0 7,4 Tiếp theo, nguyên tố thành phần vật liệu xác định phép đo EDS (Hình 6) Kết thu có xuất tín hiệu nguyên tố thành phần công thức dự kiến thành phần gần sát với tỉ lệ Zr : Bi : O = : : 20 theo lí thuyết Hình Phổ UV-Vis vật liệu ZrO2:Bi(III) Hình thái bề mặt kích thước hạt vật liệu xác định ảnh SEM (Hình 8) (a) Hình Giản đồ EDS vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC Một thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả xúc tác chất xúc tác bán dẫn độ rộng vùng cấm, phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu ghi lại (Hình 7) Kết Hình cho thấy vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC ZrO2:Bi(III)-TN có bước sóng hấp thụ nằm vùng khả kiến (500 476 nm) Từ đó, độ rộng vùng cấm Eg vật liệu xác định tương ứng 2,48 eV 2,62 eV Như vậy, pha tạp Bi(III), độ rộng vùng cấm giảm so với giá trị khoảng eV hệ ZrO2 [1] (b) Hình Ảnh SEM vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC (a) ZrO2:Bi(III)-TN (b) Kết cho thấy hạt vật liệu ZrO2:Bi(III) có dạng hình cầu, khuynh hướng kết đám, kích thước hạt khoảng 40-50 nm Ngồi ra, q trình xúc tác dị thể xảy bề mặt xúc tác nên phụ thuộc vào diện tích bề mặt 79 Hệ vật liệu nano ZrO2:Bi(III) tổng hợp phương pháp đốt cháy thủy nhiệtnung, có cấu trúc đơn pha tetragonal sau nung 600oC, kích thước hạt trung bình khoảng 40-50 nm Các vật liệu pha tạp Bi(III) ZrO2 có khả xúc tác chuyển hóa gần 70% phẩm nhuộm DYG sau 150 phút chiếu sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chiara Gionco, Maria C.Paganini, Elio Giamello (2016) Rare earth oxides in zirconium dioxide: How to turn a wide band gap metal oxide into a visible light active photocatalyst Journal of Energy Chemistry Vol 26, Issue 2, 270-276 [2] Dong Woo Joh, Jeong Hwa Park, Do YeubKim (2016) High performance zirconiabismuth oxide nanocomposite electrolytes for lower temperature solid oxide fuel cells Journal of Power Sources Vol 320, 267-273 [3] Junkai Zhao, Shengsong Ge, Duo Pan (2018) Solvothermal synthesis, characterization and photocatalytic property of zirconium dioxide doped titanium dioxide spinous hollow microspheres with sunflower pollen as bio-templates Journal of Colloid and Interface Science Vol 529, 111-121 [4] Xinyue Zhang, Li Li (2017) Design and synthesis of multistructured threedimensionally ordered macroporous composite bismuth oxide/zirconia: Photocatalytic degradation and hydrogen production Journal of Colloid and Interface Science Vol 499, 159169 riêng chất xúc tác Kết Bảng cho thấy, vật liệu có giá trị diện tích bề mặt riêng nhỏ, điều phù hợp với khuynh hướng kết đám quan sát ảnh SEM Bảng Diện tích bề mặt riêng vật liệu Vật liệu Diện tích bề mặt riêng (m2/g) ZrO2:Bi(III)-ĐC 3,22 ZrO2:Bi(III)-TN 4,08 3.3 Hoạt tính xúc tác vật liệu Hoạt tính xúc tác quang vật liệu ZrO2:Bi(III) khảo sát phản ứng phân hủy Direct Yellow GX khoảng thời gian từ đến 150 phút Kết đưa Hình Hình Độ chuyển hóa DYG theo thời gian xúc ZrO2:Bi(III) Kết Hình cho thấy, việc pha tạp Bi(III) tăng cường khả xúc tác hệ ZrO2 với phẩm nhuộm DYG với hiệu suất chuyển hóa đạt khoảng 70% Kết tương đương so sánh với hệ Bi2O3/ZrO2 xử lí Congo red [4] KẾT LUẬN Công thức cấu tạo DYG mô tả sau: 80 ... ZrO2:Bi(III)-ĐC 3,22 ZrO2:Bi(III)-TN 4,08 3.3 Hoạt tính xúc tác vật liệu Hoạt tính xúc tác quang vật liệu ZrO2:Bi(III) khảo sát phản ứng phân hủy Direct Yellow GX khoảng thời gian từ đến 150 phút Kết... Khảo sát hoạt tính xúc tác Vật liệu xúc tác ZrO2:Bi(III) khảo sát với hàm lượng g/L, nồng độ DYG 30 ppm Đầu tiên, hệ xúc tác quang khấy từ 30 phút bóng tối để đạt cân hấp phụ DYG bề mặt xúc tác. .. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát điều kiện tổng hợp a) Khảo sát nhiệt độ nung Để xác định khoảng nhiệt độ nung thích hợp, vật liệu ZrO2:Bi(III)-ĐC giai đoạn tiền chất được đo giản đồ phân tích