Ngày nay, song song với việc phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp ở thế giới là sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, trong đó có môi trường nước. Trong đó, một trong số những ngành công nghiệp gây nên sự ô nhiễm nguồn nước nặng nề do việc xả chất thải vào các con sông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của nguồn nước là ngành công nghiệp dệt may. Theo phân tích của các chuyên gia ước tính, từ 17% đến 20% ô nhiễm nguồn nước công nghiệp xuất phát từ các nhà máy dệt nhuộm và xử lý vải, một con số đáng báo động đến các nhà sản xuất dệt may, cũng như các nhà quản lý môi trường và các nhà khoa học. Nước thải dệt nhuộm từ các nhà máy rất phức tạp và đa dạng, tính chất của nước thải dệt nhuộm tùy thuộc vào các loại nguyên liệu. Lượng nước thải dệt nhuộm chủ yếu từ công đoạn hồ sợi, rũ hồ, nhuộm và nấu tẩy, với các chất ô nhiễm chủ yếu là các chất lơ lửng, các chất hữu cơ khó phân hủy, thuốc nhuộm và các chất độc hại cho môi trường. Xét hai yếu tố là lượng nước thải và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm thì ngành dệt nhuộm được đánh giá là ô nhiễm nhất trong các ngành công nghiệp. Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt là methylene blue có trong thuốc nhuộm. Nếu nước thải dệt nhuộm không được xử lý các thành phần ô nhiễm, đặc biệt là thuốc nhuộm bao gồm cả methylene blue sẽ gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các thành phần hữu cơ có trong thuốc nhuộm khi xả thải ra môi trường nước sẽ làm thay đổi màu sắc của nguồn nước, ảnh hưởng đến các sinh vật có trong nước, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người,.... Mặt khác, các chất bán dẫn là các oxide như TiO2, ZnO, SnO2, WO2, và CeO2, có nhiều trong tự nhiên, được sử dụng rộng rãi như một chất xúc tác quang hóa. Trong số đó, oxide ZnO được đánh giá là chất xúc tác có nhiều triển vọng trong việc phân hủy chất màu hữu cơ cũng như khử trùng nước. Tuy vậy, ZnO có năng lượng vùng cấm khá lớn (3,37 eV), tương ứng với vùng năng lượng ánh sáng cực tím cho hiệu quả quang xúc tác tốt nhất. Trong khi đó, ánh sáng cực tím chỉ chiếm khoảng 5% bức xạ ánh áng mặt trời, do đó hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của ZnO. Nhằm cải thiện hoạt tính quang xúc tác, mở rộng phạm vi ứng dụng của ZnO, cần thiết phải biến đổi tính chất electron trong cấu trúc nano của ZnO. Pha tạp kim loại vào mạng ZnO là một trong những phương pháp hiệu quả làm tăng hoạt tính quang xúc tác của ZnO. Do có nhiều ứng dụng quan trọng và đặc biệt là tính cấp thiết trong vấn đề xử lý chất thải màu hữu cơ, chúng tôi đã chọn phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu để xử lý chúng bằng cơ chế xúc tác quang. Tên đề tài là “Nghiên cứu tổng hợp nano tinh thể ZnO biến tính và ứng dụng trong quang xúc tác xử lý màu”.
ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN NGUYỄN HỒNG CAO HUY NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO TINH THỂ ZnO BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUANG XÚC TÁC XỬ LÝ MÀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: SƯ PHẠM HĨA TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU THỌ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2020 i ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN NGUYỄN HOÀNG CAO HUY NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO TINH THỂ ZnO BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUANG XÚC TÁC XỬ LÝ MÀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: SƯ PHẠM HĨA HỌC TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU THỌ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2020 ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đạt kết nghiên cứu khóa luận với đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp nano tinh thể ZnO biến tính ứng dụng quang xúc tác xử lý màu”, xin gởi lời cám ơn chân thành biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Thọ tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên tơi q trình nghiên cứu Đồng thời tơi gửi lời cảm ơn đến quý Thầy (Cô), Anh(Chị) Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Sài Gịn tận tình giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu đề tài Tôi cố gắng nỗ lực để thực hoàn thành nghiên cứu, nhiên thời gian thực có hạn vài hạn chế kiến thức kinh nghiệm q trình thực nên khơng tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận nhiều góp ý để tơi hồn chỉnh đề tài Xin chân thành cảm ơn! i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Thọ Các số liệu kết nghiên cứu khóa luận hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2020 Tác giả khóa luận Nguyễn Hồng Cao Huy MỤC LỤC ii LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung đề tài .3 Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp đề tài Cấu trúc khóa luận CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu công nghệ nano (nanotechonoy) 1.2 Tổng quan vật liệu 1.2.1 Cấu trúc tinh thể 1.2.2 Tính chất quang ZnO 10 1.2.3 Vật liệu ZnO pha tạp 11 1.2.4 Tình hình nghiên cứu quang xúc tác ZnO ZnO pha tạp 12 1.3 Hợp chất hữu methylene blue có thuốc nhuộm 15 CHƯƠNG II QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU .17 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 17 iii 2.1.1 Hóa chất: .17 2.1.2 Dụng cụ thiết bị: .17 2.2 Phương pháp chế tạo mẫu quy trình tổng hợp vật liệu .18 2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu: 18 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu: 19 2.3 Quy trình khảo sát dung dịch MB 20 2.3.1 Cách pha xây dựng đường chuẩn MB: 20 2.3.2 Quy trình xúc tác quang MB: 21 2.4 Phương pháp phân tích mẫu 22 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction – XRD): 22 2.4.2 Khảo sát hình thái vật liệu ảnh SEM (Scanning Electron Microscopy): 23 2.4.3 Khảo sát hình thái vật liệu ảnh TEM (Transmission Electron Microscopy): 24 2.4.4 Phương pháp phổ UV-vis: 26 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Hiệu suất chế tạo mẫu 28 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 29 3.3 Phân tích ảnh SEM 31 3.4 Phân tích ảnh TEM 32 3.5 Khả quang xúc tác vật liệu 33 KẾT LUẬN 38 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng anh Tên tiếng Việt 0D Zero dimension Không chiều 1D One dimension Một chiều 2D Two dimension Hai chiều 3D Three dimension Ba chiều Å Angstrom Đơn vị đo chiều dài a,c Constants crystal lattice Hằng số mạng tinh thể C Concentration Nồng độ At.% Atomic percent % theo số mol D Size crystals Kích thước tinh thể EC Conduction band edge Năng lượng đáy vùng dẫn Eg Bandgap Energy Năng lượng vùng cấm EV Valence band edge Năng lượng đỉnh vùng hóa trị Miller Numeral Chỉ số Miller n-type semiconductor Bán dẫn loại n Nano meter Đơn vị đo chiều dài (10-9 m) p p-type semiconductor Bán dẫn loại p Vo Oxygen vacancies Nút khuyết oxy VZn Zinc vacancies Nút khuyết kẽm Zni Zinc interstitials Kẽm điền kẽ h, k, l n nm v ZnO ZnO antisite defects Kẽm giả oxy β Full-width half-maximum Độ bán rộng λ Wavelength Bước sóng Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Conduction band Vùng dẫn Conduction-band minimum Đáy vùng dẫn Full-width half-maximum Độ bán rộng Infra-red Hồng ngoại LED Light emitting diode Điốt phát quang MB MethyleneBlue Methylene Xanh XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning electron microscope Hiển vi điện tử quét TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua TK Purum Tinh khiết TMI Transition ion metal Ion kim loại chuyển tiếp UV Ultraviolet Tử ngoại Ultra Violet-Visible Phổ tử ngoại-khả kiến Chữ viết tắt CB CBM FWHM IR UV-Vis vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 2.1 Dụng cụ thiết bị cần sử dụng 17 Bảng 3.1 Hiệu suất chế tạo vật liệu 28 Bảng 3.2 Các giá trị thơng số mạng kích thước tinh thể 30 Bảng 3.4 Hiệu suất phân hủy MB hệ mẫu 34 Bảng 3.5 Hằng số tốc độ phản ứng bậc làm suy giảm nồng độ MB hệ số tương quan mẫu ZnO ZnO pha tạp Mn2+ vii 36 DANH MỤC HÌNH ẢNH TT Tên hình ảnh Trang Hình 1.2.1 Các lĩnh vực ứng dụng ZnO Hình 1.2.2 Tập hợp cấu trúc nano ZnO tổng hợp điều kiện kiểm soát cách bay nhiệt bột rắn Hình 1.2.3 Mơ hình cấu trúc tinh thể ZnO a) Haxagonal Wurtzite, b) Zincblende[10] c) Rocksalt[11] Hình 1.2.4 Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt ZnO Hình 1.2.5 Phổ huỳnh quang (Photoluminescence spectra) ZnO cấu trúc nano có hình thái khác Hình 1.2.6 Biểu diễn mức lượng ZnO pha tạp 11 12 Hình 1.2.7 (a) Ứng dụng ZnO cấu trúc nano; (b) số lượng báo ZnO ZnO pha tạp chất xúc tác quang hóa tính từ tháng năm 2000 đến 22 tháng năm 2015 liệu 13 trích dẫn Scopus Hình 1.2.8 Mơ tả chế xúc tác quang ZnO 14 Hình 1.2.9 Cơng thức cấu tạo methylene blue 15 10 Hình 1.2.10 Phổ hấp thụ methylene blue 15 11 Hình 2.1.1 Máy ly tâm 18 12 Hình 2.2.1 Tóm tắt bước phương pháp kết tủa 19 13 14 Hình 2.2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu ZnO phương pháp kết tủa Hình 2.2.3 Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu ZnO pha tạp Mn2+ pp kết tủa 19 20 15 Hình 2.3.1 MB với nồng độ C=10.10-6 (mol/lít) 21 16 Hình 2.3.2 Đường chuẩn MB 21 17 Hình 2.3.3 Đo xúc tác quang ánh nắng mặt trời 22 viii ... xử lý chất thải màu hữu cơ, chọn phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu để xử lý chúng chế xúc tác quang Tên đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp nano tinh thể ZnO biến tính ứng dụng quang xúc tác xử. .. 2020 ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đạt kết nghiên cứu khóa luận với đề tài: ? ?Nghiên cứu tổng hợp nano tinh thể ZnO biến tính ứng dụng quang xúc tác xử lý màu? ??, xin gởi lời cám ơn chân thành biết... CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN NGUYỄN HỒNG CAO HUY NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO TINH THỂ ZnO BIẾN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUANG XÚC TÁC XỬ LÝ MÀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: SƯ PHẠM HĨA HỌC TRÌNH