(Luận án) Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu bimo (m = v, ti, sn)

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCSƯPHẠMHÀNỘI o0o- PHẠM KHẮCVŨ CHẾTẠOVÀNGHIÊNCỨUTÍNHCHẤTQUANGXÚCTÁCC ỦAVẬTLIỆUBiMO(M=V,Ti,Sn) LUẬNÁNTIẾNSĨVẬTLÍ HÀNỘI-2020 PHẠM KHẮCVŨ CHẾTẠOVÀNGHIÊNCỨUTÍNHCHẤTQUANGXÚCTÁCC ỦAVẬTLIỆUBiMO(M=V,Ti,Sn) Chunngành: Vật lí Chất rắnMãsố: 9.44.01.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨVẬTLÍ NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC PGS.TS.LụcHuyHồng PGS.TS.NguyễnVănHùng HàNội-2020 LỜICAMĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơidưới sựhướng dẫn PGS.TSLụcHuyHồngvàPGS.TSNguyễn Văn Hùng Các số liệu kết luận án hồntồn trung thực khơng trùng lặp với cơng trình đãcơng bố Tác giả PhạmKhắcVũ LỜICẢMƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS LụcHuy Hoàng PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, thầy người hướng dẫn tôitrong suốt thời gian qua Các thầy tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất,khích lệ tinh thần để tơi có thêm nghị lực để hồn thành luận án Phương pháp giáodục gương sáng của thầy sẽ giá trị to đẹp mà em sẽ luônghi nhớvàmangtheo tronghànhtrangcuộcđời Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội TrườngTHPT Yên Khánh A - Ninh Bình tạo điều kiện thuận lợi mặt để tơi tậptrungnghiêncứutrongsuốt qtrìnhhồnthành luậnán Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn thầy Khoa Vật lí - Trường Đại họcSư phạm Hà Nội trang bị cho kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm, độngviên,yêu quý,đùmbọc trongsuốt thờigiantôi học tậpvànghiêncứutại Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới Ban Giám Hiệu, thầy cô, anh chị vàđồng nghiệp tổ Lí, Trường THPT Yên Khánh A Trường THPT chuyênLương Văn Tụy – Ninh Bình chia sẻ cơng việc, giúp đỡ tơi khó khăn vàtạomọi điều kiệnthuận lợi đểtôitậptrungnghiên cứu trongsuốt thời gian qua Trong thời gian làm việc học tập bộ mơn Vật lí Chất rắn – Điện tử,Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, nhận giúp đỡ trongcông việc, chia sẻ kinh nghiệm, cổ vũ, động viên tinh thần của PGS TS Đỗ DanhBích, PGS TS Trần Mạnh Cường, PGS TS Phạm Văn Vĩnh, TS Phạm Văn Hải,TS Nguyễn Đình Lãm, TS Phạm Đỗ Chung, TS Lê Thị Mai Oanh, TS Đinh HùngMạnh, TS Trịnh Đức Thiện, TS Nguyễn Thị Thúy, NCS Nguyễn Đăng Phú vàcácanh chịemhọcviên cao học,cácemsinh viênhọctập vànghiên cứu tạiđây Lời cảm ơn cuối cùng, dành để cảm ơn đến bố mẹ, anh chị em nhữngngười thân gia đình đợng viên tạo điều kiện mặt tinh thần cũngnhư vật chất để tập trung nghiên cứu Sự động viên, giúp đỡ, chia sẻ lớn lao củavợtơi,sự cổ vũ nhiệttình củacác tơilà đợng lựcđể tơi hồn thành luậnánnày HàNội,ngày tháng 12 năm2020 Tác giả PhạmKhắcVũ DANHMỤC CÁC KÝ HIỆUVÀCHỮVIẾTTẮT Thuậtngữ Ýnghĩa BET Đođẳngnhiệthấpphụ - giảihấp (Brunauer – Emmett– Teller) CB Vùngdẫn(ConductionBands) DTA Phântíchnhiệtvisai(DifferentialThermalAnalysis) EDX/EDS Phổ tánsắc nănglượngtiaX(Energy-Dispersive XraySpectroscopy) Eg Độ rộngvùngcấm(Bandgap) FWHM Độbánrộng(FullWidthatHalfMaximum) HC Lựckhángtừ(Coercivity) HR-TEM Kínhhiểnviđiệntửtruyềnquaphângiảicao (HighResolutionTransmissionElectronMicroscope) MB Methyleneblue(C16H18N3SCl) Mr Từđợdư(Remnantmagnetization) Ms Từđợbãohồ(Saturationmagnetization) RhB RhodamineB (C28H31ClN2O3) SEM Kínhhiểnviđiệntửqt(ScanningElectronMicroscope) TEM Kínhhiểnviđiệntửtruyềnqua(TransmissionElectron Microscope) TGA Phépphân tíchnhiệttrọnglượng(ThermogravimetricalAnalysis) TTiP TitaniumTetraisoproproxide(Ti(OCH(CH3)2)4) UV-vis Tửngoại –Khả kiến(Ultraviolet– Visible) VB Vùnghóa trị (Valence Bands) VSM Từkếmẫurung(VibratingSampleMagnetometer) XRD Nhiễuxạ tiaX(X-rayDiffraction) θ Góc nhiễu xạtia X λ Bướcsóngánhsáng ν Tầnsốánhsáng MỤCLỤC Trang LỜICAMĐOAN .i LỜICẢM ƠN ii DANHMỤCCÁC KÝHIỆUVÀCHỮ VIẾTTẮT iii MỤCLỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞĐẦU CHƯƠNG1.TỔNGQUAN .7 1.1 Tổngquanvề vậtliệuBi2Sn2O7 1.1.1 Cấutrúc tinhthểcủavật liệu Bi2Sn2O7 1.1.2 Tính chất quang của vậtliệu Bi2Sn2O7 1.1.3 Hoạttínhquangxúc táccủavậtliệuBi2Sn2O7 12 1.1.4 Cácnghiên cứu nhằm tăng cường khảnăng quang xúctác củavật liệuBi2Sn2O7 13 1.1.5 Cácnghiêncứunhằm thuhồivậtliệuBi2Sn2O7 .17 1.2 Tổngquanvề vậtliệuBi2Ti2O7 .20 1.2.1 Cấutrúctinh thểcủavậtliệu Bi2Ti2O7 20 1.2.2 Tínhchất quang của vậtliệu Bi2Ti2O7 .21 1.2.3 Tínhchấtquangxúc táccủavậtliệuBi2Ti2O7 24 1.2.4 Cácnghiêncứunhằmcảithiệnquangxúc táccủavậtliệuBi2Ti2O7 .26 1.2.5 Thảo luận cơchếquang xúctác 31 1.3 Tổngquan vậtliệuBiVO4 33 1.3.1 Cấutrúctinh thểcủa vậtliệuBiVO4 33 1.3.2 TínhchấtdaođợngmạngcủavậtliệuBiVO4 34 1.3.3 Tínhchấtquangcủa vậtliệu BiVO4 36 1.3.4 Tínhchấtquang xúc táccủavật liệuBiVO4 37 Kếtluận chương1 41 CHƯƠNG2 CÁCKỸTHUẬTTHỰCNGHIỆM 42 2.1 Quytrìnhchế tạovậtliệuvà phươngphápchế tạovậtliệu 42 2.1.1 Chế tạovậtliệunanoBiVO4b ằ n g phương pháphóacóhỗ trợvi sóng 45 2.1.2 Chế tạo vật liệunanoBi2Ti2O7 47 2.1.3 Chế tạovật liệunanoBi2Sn2O7b ằ n g p h n g pháphóa có hỗ trợvisóng 49 2.1.4 ChếtạovậtliệutổhợpBi2Sn2O7/CoFe2O4 50 2.2 Các thiếtbị kỹ thuậtđược sửdụngđể phân tíchđặc trưngmẫu 53 2.2.1 Kính hiển vi điệntửquét .53 2.2.2 Kínhhiển viđiệntửtruyền quavàtruyềnqua phângiải cao 53 2.2.3 Phép đophântíchnhiệtvisaivànhiệttrọnglượng .54 2.2.4 Phép đo nhiễu xạ tia X 54 2.2.5 Phépđophổhấpthụ UV-vis 55 2.2.6 Phép đophổtánxạ Raman .56 2.2.7 Phép đophổtánsắc lượngtia X 57 2.2.8 Phép đophổ huỳnhquang 58 2.2.9 Phép đochu trìnhtừtrễ 58 2.2.10 Phươngphápđẳngnhiệthấpphụ -giảihấpN2 59 2.2.11 Phép đohoạt tínhquang xúc tác 59 Kếtluậnchương2 62 CHƯƠNG3.KẾTQUẢ CHẾTẠOVÀNGHIÊNCỨUMỘTSỐ TÍNHCHẤTCỦAVẬTLIỆU BiVO4 63 3.1 Ảnhhưởngcủađộ pH 63 3.1.1 Giảnđồnhiễu xạtia Xcủa cácmẫu đượcchếtạocóđợpH khácnhau 63 3.1.2 ẢnhSEMcủacácmẫu chế tạoởpH khác 65 3.1.3 Phổ hấpthụ UV-viscủacác mẫu chế tạo ởpHkhácnhau 67 3.2 Ảnhhưởngcủa điềukiệnxửlýnhiệt .68 3.2.1 Giản đồnhiễu xạtia X của cácmẫusaukhiủởcácnhiệt độkhácnhau 68 3.2.2 Phổ tán xạRaman của cácmẫukhiủởcácnhiệt độ khácnhau 69 3.2.3 ẢnhSEMvàHRTEM củacácmẫuủởcácnhiệtđộkhácnhau .71 3.2.4 Phổhấpthụ UV-viscủacác mẫu ủ ởnhiệtđộkhác 72 Kếtluậnchương3 73 CHƯƠNG KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁCBi2Ti2O7 75 4.1 VậtliệuBi2Ti2O7chếtạobằngphươngpháp sol-gel 75 4.1.1 Cấutrúctinh thểcủavậtliệu Bi2Ti2O7 75 4.1.2 Phổhấpthụ UV-viscủavậtliệuBi2Ti2O7 78 4.2 Vật liệuBi2Ti2O7c h ế tạobằngphươngphápthủy nhiệt 79 4.2.1 Ảnhhưởngcủađợ pHlênmợtsố tínhchất củavậtliệuBi2Ti2O7 79 4.2.2 ẢnhhưởngcủađiềukiệnủnhiệtlênmợtsốtínhchấtcủavậtliệuBi2Ti2O7 81 4.3 Tínhchấtquangxúc táccủa vật liệu Bi2Ti2O7 85 4.3.1 Ảnhhưởngcủanhiệt độ ủcủa vậtliệuchếtạobằngphươngpháp sol-gel .85 4.3.2 ẢnhhưởngđộpHcủamẫuBi2Ti2O7chếtạobằngphươngphápthủynhiệt 87 4.3.3 ẢnhhưởngxửlýnhiệtcủamẫuBi2Ti2O7c h ế tạobằngphươngpháp thủy nhiệt 88 Kếtluậnchương4 92 CHƯƠNG KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU QUANGXÚCTÁCBi2Sn2O7 94 5.1 Ảnhhưởngcủa điềukiện cơngnghệ lênmợtsốtínhchấtcủa vậtliệu .94 5.1.1 Ảnhhưởng của độ pH 94 5.1.2 Ảnhhưởng của nhiệt độủlên cấu trúcvàtínhchất quang của vật liệu .99 5.2 Ảnhhưởngcủa điềukiệnchế tạolêntínhchấtquangxúc táccủa vậtliệu 104 5.2.1 Hoạttínhquang xúc táccủa vậtliệuBi2Sn2O7c ó độ pHcủa dungdịch tiềnchất khácnhau 105 5.2.2 Ảnhhưởngcủa nhiệtđợ ủlêntínhchất quangxúc tác 107 5.3 KếtquảchếtạovànghiêncứuvậtliệutổhợpBi2Sn2O7v ới vậtliệutừCoFe2O4 .110 5.3.1 Tính chất vật lícủa vật liệu tổhợp 110 5.3.2 Tínhchấtquangxúc tácvà thửnghiệmkhả thuhồibằngtừtrường của mẫu tổhợp .114 Kếtluậnchương5 118 KẾTLUẬNCHUNGCỦA LUẬNÁN 120 KIẾNNGHỊ 122 CÁC CƠNGTRÌNHKHOA HỌCĐÃCÔNGBỐ 123 TÀILIỆU THAMKHẢO 124 DANHMỤCCÁC BẢNG Bảng1.1.ĐộrộngvùngcấmcủacácmẫuBi2Sn2O7vớicácgiátrịpHkhácnhau 12 Bảng 2.1 Khối lượng tỉ lệ % vật liệu cần dùng để chế tạo vật liệu tổ hợpBi2Sn2O7/CoFe2O4 52 Bảng3.1.Vịtrígóc2θứngvớiđỉnhnhiễuxạ(200)vàhằngsốmạngcủapha tetragonalB i V O 4chế tạo pH =3và5 65 Bảng3.2.Kíchthướchạttinhthể trungbìnhcủaphatetragonalBVO4chế tạo ởpH=3và5 .65 Bảng3.3 BềrộngdảicấmcủacácmẫuBiVO4đượcchếtạoởcácđộpHkhácnhau.6 Bảng3.4.Ảnhhưởng nhiệtđộủlênsựkếttinh độrộng vùngcấm củahạtnanoBiVO4 69 Bảng4.1.Hằngsốmạng tinhthểcủaBi2Ti2O7ủ ởcác nhiệt độkhác 76 Bảng 4.2 Kích thước hạt tinh thể trung bình mẫu Bi2Ti2O7được ủ cácnhiệtđộkhácnhau 77 Bảng4.3.Độrộng vùngcấm quang họcvàbướcsóng bờhấpthụ mẫuB i 2Ti2O7,được ủởnhiệtđộkhác 78 Bảng4.4.Bềr ộ n g vùngcấmquangvàbờhấpthụcủaBi 2Ti2O7,cácmẫuđượcthủy nhiệttrongđiềukiệnđộpHkhácnhau .81 Bảng4.5.Diệntíchbềmặtriêngcủamẫuchưaủvàcácmẫuủởcácnhiệtđộkhácnh au 83 Bảng4.6.Độ dốck’củađồthịy(t)=ln(C o/Ct)đốivớicácvậtliệuBi2Ti2O7c h ế tạo cácnhiệt độủkhácnhau: 86 Bảng4.7.Độdốck’củađồthịy(t)=ln(C o/Ct)đốivớicácvậtliệuBi2Ti2O7đượcchế tạo cácđộpHkhácnhau: 88 Bảng4.8.Độdốck’củađồthịy(t)=ln(C o/ Ct)đốivớicácvậtliệuBi2Ti2O7chưaủvàủởcácnhiệtđộkhácnhau .89 Bảng 5.1 Kích thước hạt tinh thể trung bình mẫu Bi2Sn2O7được chế tạo theophươngpháphóacóhỗtrợv i sóngtrongđiềukiện độpHkhácnhau .97 Bảng 5.2 Độ rộng vùng cấm quang bước sóng hấp thụ mẫu Bi2Sn2O7cóđộpHcủadungdịchtiền chấtkhác 99 Bảng5.3.DiệntíchbềmặtriêngvàkíchthướchạtcủaBi 2Sn2O7đượcủởcácnhiệtđộk hácnhau .101 Bảng 5.4 Độrộng vùng cấm quang bờ hấp thụ mẫu Bi 2Sn2O7ủ cácnhiệtđộkhácnhau 102 Bảng5.5.Độdốck’củađồthịy(t)=ln(C o/Ct)đốivớicácvậtliệuBi2Sn2O7 đượcchếtạotạicácđộpHkhácnhau: .106 Bảng5.6.Độdốck’củađồthịy(t)=ln(C o/Ct)đốivớicácvậtliệuBi2Sn2O7 đượcủtạicácnhiệtđộkhácnhau: 108 Bảng3.7.Thànhphầncác nguyên tố trongmẫutổ hợp BSO/CFO .111 Bảng 5.8 Tỉ lệ thu hồi mẫu tổ hợp BSO/CFO sau lần thu hồi liên tiếp.115Bảng5.9.Độdốck’củađồthịy(t)=ln(C o/Ct)đốivớivậtliệuBSOvàvậtliệu tổhợpBSO/CFO 117