UTEHY ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ THỊ THÚY NGHIÊN C U ĐI U CH T TiO2 K CH THƢ C NANO PHA TẠP LƢU HUỲNH VÀ NITƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ N I – NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - VŨ THỊ THÚY NGHIÊN C U ĐI U CH T TiO2 K CH THƢ C NANO PHA TẠP LƢU HUỲNH VÀ NITƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ N I – NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - VŨ THỊ THÚY NGHIÊN C U ĐI U CH T TiO2 K CH THƢ C NANO PHA TẠP LƢU HUỲNH VÀ NITƠ Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ SỸ LƢƠNG LỜI C M ƠN , E C anh 07 2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN……………………………………… 1.1 GIỚI THI U V TITAN ĐIOXIT K CH THƯỚC NANO M T 1.1.1 Cấu trúc tính chất vật lý TiO2 1.1.2 Sự chuyển dạng thù hình titan đioxit 1.1.3 Tính chất hóa học titan đioxit 1.1.4 Các ứng dụng vật liệu TiO2 kích thước nm 1.2 GIỚI THI U V TiO2 K CH THƯỚC NANO M T PHA TẠP 11 1.2.1 Pha tạp cấu trúc TiO2 nguyên tố kim loại 12 1.2.2 Pha tạp cấu trúc TiO2 nguyên tố phi kim loại 13 1.2.3 Pha tạp TiO2 hỗn hợp kim loại phi kim 14 1.3 PHƯ NG PH P ĐI U CH VẬT LI U NANO TiO2 PHA TẠP 15 1.3.1 Các phương pháp vật lý .15 1.3.2 Các phương pháp hóa học 16 1.4 MỘT SỐ NGHI N C U ĐI U CH ỘT TiO2 PHA TẠP NIT VÀ LƯU HUỲNH .19 1.4.1 Một số nghiên cứu điều chế TiO2 pha tạp hợp chất N(-III) 19 1.4.2 Các nghiên cứu điều chế TiO2 pha tạp lưu huỳnh .22 1.4.3 Các nghiên cứu điều chế TiO2 pha tạp lưu huỳnh nitơ 24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHI M VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN C U 26 2.1 Mục tiêu nội ung nghiên cứu luận v n .26 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 26 2.1.2 Các nội ung nghiên cứu 26 2.2 Hóa chất, ụng cụ thiết 27 2.2.1 Hóa chất 27 2.2.2 Dụng cụ thiết 28 2.3 Thực nghiệm điều chế bột TiO2 kích thước nm 29 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 31 2.4.1 Phương pháp đo quang xác đ nh hiệu suất quang xúc sản phẩm 31 2.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt .34 2.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34 2.4.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM 35 2.4.5 Phổ tán xạ n ng lượng tia X (EDS ) 35 CHƢƠNG 3: K T QU NGHIÊN C U VÀ TH O LUẬN 36 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu tr c tinh thể, thành ph n pha, họat tính quang x c tác sản phẩm ột TiO2 kích thước nm 36 3.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung 36 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian nung .41 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lện mol (NH4)2SO4/TICl4…………………… 44 3.1.4.Ảnh hưởng tỷ lệ mol NH3/TiCl4 dung d ch thủy phân 47 3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ TiCl4 .49 3.2 Quy trình điều chế S,N-TiO2 dạng bột kích thước nm 54 3.2.1 Các điều kiện thích hợp khảo sát 54 3.2.2 Quy trình điều chế 54 3.2.3 Cách tiến hành thực nghiệm điều chế theo quy trình 56 3.2.4 Các đặc trưng cấu trúc tính chất sản phẩm .56 K T LUẬN 62 TÀI LI U THAM KH O 63 DANH MỤC B 11 M B 12 B 21 B NG …………………… ế ……………………… MB ụ ………………………… 33 ế ế trung bình (nm)………………………………………… 39 B ế ế xanh metylen (%)………………………………………………………… ……………… 39 B 3 ế ế xanh metylen (%)………………………………………………………… 41 B ế ế bình (nm)………………………………………………………………… ……………… 43 B ế mol (NH4)2SO4/TiCl4 phân B ế ……………………………………… 45 36 ế tỷ mol (NH4)2SO4/TiCl4 ế ( )…………………………………………………………… .47 B 37 ế B mol NH3/TiCl4 ế phân (%) 48 ế tỷ mol NH3/TiCl4 ế trung bình (nm)………………………………………………………………… 51 B 39 Ả C4 ế xanh metyl ứ …………………………………………………………………………… 52 B 10 ế C ế bình (nm).……………………………………………………………………………………… 54 DANH MỤC HÌNH 11 C O2……………………………… Hình 1.2 Gi Hình 1.3 ng c a TiO2………………………………………………… O2 Hình 2.1 ụ xúc tác trình th c nghi m 22 ổ è 3: ế u chế s n phẩ ………………………… 30 40W ……………………………… 31 ứ (MB)………………………… 32 24 ụ A Hình 3.1 ẩ ễ ụ ữ ……………………………………………… 33 ẩ ………………… 37 o Hình 3.2 Gi n XRD c a m u s n phẩm 550 C .38 Hình 3.3 Hình XRD 3.4 .38 ễ ế xanh metylen 40 Hình 3.5 ễ ế xanh metylen……………………………………………………………………………… 42 Hình 3.6 Gi Hình 3.7 o XRD 550 C 2h .42 XRD ……43 ễ mol(NH4)2SO4/TiCl4 ế y xanh metylen G 10 G ứ ……………………………… 45 XRD (NH4)2SO4/TiCl4 XRD 32…………… 46 (NH4)2SO4/TiCl4 nhau………………………………………………………………………………………… Hình 3.11 ễ y NH3/TiCl4 ế 46 phân ứ …………………………………… .48 12 G XRD H3/TiCl4 2.4 ………………… 50 13 G XRD H3/TiCl4 nhau………………………………………………………………………………………… 50 Hình 3.14 ễ ụ C ế ứ ……………………………………………………… 52 15 G XRD 16 G XRD Hình 3.17 ồ trình th c nghi C4 81M……………53 C 53 u chế b t nano S,N-TiO2 ………………………………………………………………………… Hình 3.18 XRD Hình 3.19 XRD Hình 3.20 Hình 3.21 Ả O2 không pha -TiO2 ……………………………….57 ……………………57 ổ ED EM … 55 ẩ S,N-TiO2 58 TiO2 ,N O2 ……59 Hình 3.22 Phổ UV-Vis c a m u S,N-TiO2 60 Hình 3.23 Phổ UV-Vis c a m u TiO2 không pha t p 60 MỞ ĐẦU Mặt trời cung cấp cho ề mặt trái đất lượng n ng lượng khổng lồ vào 24 khoảng 3.10 J/n m Việc nghiên cứu chuyển hóa có hiệu nguồn n ng lượng thành ạng hữu ụng khác phục vụ đời sống người thách thức phát triển nghiên cứu khoa học công nghệ tương lai Một hướng nghiên cứu sử ụng chất án ẫn đóng vai trị quang x c tác để chuyển hóa n ng lượng ánh sáng mặt trời thành n ng lượng điện hóa học [9] Titan đioxit (TiO2) chất x c tác án ẫn G n kỷ trở lại đây, ột TiO2 với kích thước cỡ µm điều chế quy mơ cơng nghiệp ứng ụng 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… [14] G n đây, ột TiO2 tinh thể kích thước nm ạng thù hình rutin, anata, hỗn hợp rutin anata, brukit nghiên cứu ứng ụng vào lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nước làm vật liệu quang x c tác tổng hợp hợp chất hữu cơ, xử lý môi trường chế sơn tự làm sạch, chế tạo thiết điện tử, đ u cảm iến lĩnh vực iệt khuẩn [16,26] Các ứng ụng vật liệu TiO2 kích thước nm chủ yếu ựa vào tính chất án ẫn Với hoạt tính quang x c tác cao, cấu tr c ền không độc, vật liệu TiO2 cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng thách thức từ ô nhiễm TiO2 đồng thời hy vọng mang đến lợi ích to lớn vấn đề khủng hoảng n ng lượng qua sử ụng n ng lượng mặt trời ựa tính quang điện thiết phân tách nước Tuy nhiên o ải trống titan đioxit lớn (3.25 eV anata 3.05 eV rutin) nên ánh sáng tử ngoại với ước sóng < 380 nm kích thích điện tử từ vùng hóa tr lên vùng ẫn gây tượng quang x c tác Điều hạn chế khả n ng quang x c tác titan đioxit, thu hẹp phạm vi ứng ụng vật liệu Để sử ụng ánh sáng mặt trời vào trình quang x c tác titan đioxit, c n thu hẹp ải trống Các