0736 nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng điện cực titio2 pani titio2 pani cnts định hướng ứng dụng làm anot cho pin nhiên liệu vi sinh luận văn tốt nghiệp

BG I Á O DỤCVÀÐÀOTẠO VINHÀNLÂMKHOAHOC VÀCÔNGNGHVIT NAM HOCVIN KHOA HOCVÀCÔNG NGH …… ….***………… NGUYENTHEDUYEN NGHIÊNCỨUTONGHPVÀÐCTRƯNGÐ I NCỰCTi/TiO2PANi,Ti/TiO2-PANiCNTsбNHHƯN G ỨNGDỤNGLÀMANOTCHOPINNHIÊNLI UVISINH Chun ngành: Hóa lý thuyet Hóa lýMãso:62.44.01.19 TĨMTATLUNÁNTIENSĨHĨAHOC Hà Ni - 2017 Cơngtrìnhđvợc hồnthànhtại: HQc vinKhoa hQc vàCơng nghVinHànlâmKhoahQcvàCơngnghV i tNam Ngvờihvớngdȁn khoahQc:PGS.TS.PhanThịBình Phảnbin1: Phảnbin2: Phảnbin3: Lunánsẽđưcbăov trướcHiđongchamlunántiensĩ,hoptạiHocvi n Khoa hoc Cơngngh -VinHànlâmKhoahocvàCơngnghVi tNamvàohoi…gi ’,ngày…tháng… năm201… Cóthetìmhieulunántại: - ThưvinHocvinKhoahocvàCơngngh - ThưvinQuocgiaVitNam M"ÐAU Hi nnayvicchetạovtliucompozitlàxuthemớitrênthegiớibikhănăngtạoravtliumớicótínhchat đ t phá nham đáp ứng nhu cau sư dụng ngànhcôngnghipcôngnghc a o sovớivtliunguonriêngrẽbanđau,trongđócóqtrìnhlai ghép TiO2với polianilin (PANi) CNTs Ðây v t li u đư c nhàkhoahocđcbi tquantâmvìđư cứngdụngkhánhieutrongcáclĩnhvựcnhưlàmvtliuanotchonguonđin,sưdụnglàmsen s#đinhóahaylàmvtliuxúctácđinhóachocácqtrìnhđincực Các compozit TiO2-PANi TiO2-PANi-CNTs có the đưcche tạo theo nhieuphư#ngphápkhácnhaunhưphư#ngphápsolgel,hóahoc,đinhóahayoxihóanhitkethpnhúng tamtùytheotừngmụcđíchứngdụng Hinnaycácnhàkhoahocđangquantâmnghiêncứuchetạovtliuđincựctrênc#sTiO2lai ghép PANi CNTs sư dụng làm anot cho pin nhiên li u vi sinh(microbial fuel cell MFC) nham mục đích thay the cho v t li u anot đat tien vàkémben MFC m t nguon lư ng xanh cho phép chuyen hóa lư ng tíchlũytrongcácchatthăihữuc#thànhđi nnăngnhh enzimtrongtebàovisinhvt Từkhipháthinrapolimedan,PANilàpolimedanthơngdụng,detonghp,cóđdankhácao,thâ nthinvớimơitrưng,tư#ngthíchsinhhocđưcsưdụngphobienđechetạoanotchoMFC.PANicótheđưc laighépvớimuicacbonhaygraphenhocong nano cacbon PANi có the đư c lai ghép với oxit kim loại vonframtrioxit.Trongsocácoxitkimloạithìtitanđioxitlàoxitcótínhbándan,cóhoạttínhquanghóavà quang n hóa, thân thi n với mơi trư ng, tư#ng thích sinh hoc benratphùhpđelaighépvớiPANisưdụnglàmanotchoMFC.Trongcácvt liutrênc#scacbon, ong nano cacbon với c# tính tot,đdan cao, tư#ng thích sinh hoc m t v tliuhứahendùngbientínhđenângcaoh#nnữađctínhtotcŭađincực Vớitínhcapthietvàýnghĩathựctiennêutrên,lunánđãchonđetài: “Nghiên cứu tong hop k¾c trưng ki n cực Ti/TiO 2-PANi, Ti/TiO2-PANiCNTskịnhhướngứngdnnglàmanotchopinnhiênliuvisinh” Mụctiêunghiêncúucủalunán - Chet ạo cá cđ i ncự cT i / T i O 2-PANi,T i /T i O 2-PANiCNTsba ng p hư #n gp há p khácnhau - Nghiêncứutínhchatcŭacácloạiđincựcchetạođưc - Ðịnhhướngứngdụnglàmanotchopinnhiênliuvisinh Nidungnghiêncúucủalunán - Che tạo n cực compozit TiO 2-PANi nen Ti bang phư#ng pháp khácnhau(phư#ngphápCV;phư#ngphápnhitkethpnhúng;phư#ngpháppast).NenTicũngđư c sư dụngc c d n g k h c n h a u ( d n g h ì n h t r ụ v d n g h ì n h t a m ) T o n g h p đincựcTi/TiO2-PANi-CNTsbangphư#ngpháppast - Sư dụng phư#ng pháp CV phư#ng pháp đo đdan đe khăo sát tính chat nhóacŭađincựcđãchetạobangcácphư#ngphápkhácnhau - Sư dụng phư#ng pháp tong trđe nghiên cứu c# che n hóa cŭa q trìnhxăyratrênbemtđincựcđãchetạo - Sưdụngdungdịchnướcthăinhàmáybiaphụcvụchonghiêncứutínhchatsinhđinhóacŭađi ncựchướngtớivicsưdụngđincựclàmanotchoMFC - Sưdụngphư#ngphápphâncựcthetĩnhvàphâncựcdịngđngnhamnghiêncứuhoạttínhsinhđ inhóacŭavtliuđincựctrongnướcthăinhàmáybia Ýngh…akhoahQcvàthựctiencủalunán Pin nhiên li u vi sinh thu hút đư c quan tâm rat lớn cŭa nhà khoa hoctrênthegiớibivìhiuứngkép:sinhranănglưngtừchatthăinhvisinhvtđongthisưdụ ngnănglưngnàyđexưlýmôitrưng.Ýnghĩathựctiencŭalunánlàcho, lu n án t p trung nghiên cứu che tạo v t li u anot cho pin nhiên li u vi sinh cóhoạt tính sinh n hóa nham thay the cho v t li u anot đat tien (như Pt) ho c kémbenvàdenhiemban(nhưvtliucacbon) Lunánlàcơngtrìnhtrìnhnghiêncứuđclpvàht h o n g vecácphư#ngpháptonghpvtliucompozit TiO2-PANi TiO2-PANi-CNTs nen Ti Các khăo sát vetínhchatcŭavtliubaogomcautrúchìnhtháihocvàtínhchatđinhóađãđưcthựchinđetìmrađieuki ntonghptoiưu.Cáccompozittonghptạicácđieukintoiưuđưcsưdụngđenghiêncứutínhchatsinhđinhóatrongmơitrưngnước thăinhàmáy bia Từ nghiên cứu có the định hướng đe ứng dụng compozit TiO2-PANi TiO2-PANi-CNTs làm anot cho pin nhiên li u vi sinh, t n thu lư ng từchatthăivàxưlýmôitrưng Ðiemmớicủalunán - Ðãtonghpthànhcôngđi ncựcTi/TiO 2-PANibangphư#ngphápCVđ i e u kin toi ưu (150 chu ky quét, tocđquét 20 mV/s, dung dịch tonghp: H2SO40,1 M;Ani0,1MvàTiO2/Ani=8,3%) - Nghiên cứu tính chat quang n hóa cŭa Ti/TiO 2-PANi tong h p bang phư#ngpháp phân hŭy nhi t kethp nhúng, TiO2là chat bán dan dạng n PANi đãlàmtăngmt đdịngquangđinhóa - Chet o đ i nc ự c T i / T i O 2-PANiv T i / T i O 2-PANiCNTsb a n g p h # n g p h p p a s t sưdụngchatket dínhchitosanaxit axetic1% - Úng dụng phư#ng pháp nghiên cứu tong trđi n hóa đe xem xét c# che n hóaxăyratrêncácđi ncựccompozittrongmơitrưngnướcthăinhàmáybia Bocụccủalunán Lu n án gom 140 trang với 23 băng 69 hình, trình bày phan: Mđau:5trang,c h # n g : T o n g q u a n : t r a n g ,c h # n g : P h # n g p h p n g h i ê n c ứ u v t h ự c nghim:1 t r a n g ,c h # n g : K e t q u ă v t h ă o l u n: t r a n g ,K e t l u n :2 t r a n g ,d a n h mụccáccơngtrìnhcơngbocŭatácgiă:1trangvàtàiliuthamkhăo:17trang N I DUNG CỦA LU N ÁNChvơng1:PHANTONGQUAN PhanTongquantphp vàphântíchcácnghiêncứutrongnướcvàquoctevecácvanđeliênquanđe nnidunglunán 1.1 TongquanvevtliucompozitTiO2-PANi,TiO2-PANi-CNTs 1.2 TongquanvetìnhhìnhnghiêncứuvtliuanotchoMFC 1.3 GiớithiuveTiO2 1.4 Giớithiuvepolyanilin(PANi) 1.5 Giớithiuveongnanocacbon(CNTs) 1.6 Giớithi uthi uvepinnhiênliuvisinh(MFC) 1.7 Tong quan ve tình hình nghiên cứu sư dụng nước thăi nhà máy bia làm dung dịchanottrongMFC Chvơng2:P H Ư Q N G PHÁPNGHIÊNCỨUVÀTHỰCNGHIM 2.1 Cácphvơngphápnghiêncúu Cácphuơngphápdinhóa:Phư#ngphápqtthetuanhồn(CV),phư#ngphápđotongtr ,đd a n , thetĩnh,phâncựcdịngđngtrênthietbịIM6(Ðức) Cácp h u n g p h p n g h i ê n c uc a u t r ú c , h ì n h t h i h o c : K í n h h i e n v i đ i nt q u é t (SEM)trênmáyHitachiS-4800cŭaNhtBăn,kínhhienviđintưtruyenqua(TEM)trên máy JEM 1010, chụp EDX thiet bị Jeol JSM - 6490 & JED 2300 cŭa Nh tBăn, giăn đo nhieu xạ tia X máy D 5000 cŭa hãng Siemens - Ðức, hong ngoạitrênFTIR- IMPACT410- Ðức Phuơngphápphântíchnhitvisai:PhântíchnhitvisaisưdụngthietbịThermalDetector( LabsysEvo,Pháp) 2.2 Thựcnghim 2.2.1 Ch0tạođincựcTi/TiO2-PANivàbi0ntính -ChetạođincựcTi/TiO 2PANibangcácphư#ngphápCV,phư#ngphápoxihóanhit(OXHN)kethpnhúngvàphư# ngpháppast(PPpast) -TonghpđincựcTi/TiO 2-PANi-CNTsbangphư#ngpháppast H2SO4+Anilin +TiO2 Dung dcch ket dínhChitosanaxitaxeti c1% Titan hình trụ (Tien xủ lý) Dung dcch Ani 0,1M +HCl0,1M+TiO2 Amonipesunfat0, M CompozitTiO 2PANiDạngb®t Tr®ndeu Khuay Hon hạpDạngcao uát Dung dịch H2SO4 + Anilin + TiO2 Ti dạngtamTi enxùlý Ti/TiO2-PANi Thi0t bị đo n hóa (IM6) Say (120oC,2già) Ði n cục compozitTi/TiO2 -PANi Ti/TiO2-PANi Dung dịch chat k0t dính Chitosan axit axetic 1% Compozit TiO2-PANi Dạng b t Dung dịch Ani 0,1M + HCl 0,1M + TiO2 + pesunfat 0,1M 0÷5 oC giàAmoni Tr n đeu TiO2/Ani = 30%, 40%, 60%, 80% Hőn hợp Dạng past Ti dạng tam Tien xủ lý Ti/TiO2-PANi Say (120 oC, giờ) Ði n cực compozit Ti/TiO2-PANi Hình2.2.Quytrìnhtonghợpdinc?cTi/ TiO2-PANibangphuơngphápCV Oxi(khơn gkhí) Tihình tam(tienxủl ý) Hình2.5.Quytrìnhtonghợpdinc?cTi/TiO2PANibangphuơngpháppast Dung dịch chat k0t dính Chitosan axit axetic 1% Dung dcch ket dínhChitosanaxitaxetic 1% Compozit TiO2- PANi-CNTs Dung dịch Ani 0,1M + HCl 0,1M + TiO2 + CNTs + DBSA 0,0 DungdcchAni0,1M+H Dạng b t 0÷5 oC Amoni pesunfat 0,1M Compozit TiO PANiDạngb®t Tr n Tr®ndeu đeu Lịnung Hon Hőn hợp Dạng past hạpDạngcao uát Ti/TiO2 Ti dạng tam Tien xủ lý Ti/TiO2-PANi-CNTs già Cl0,1M+TiO2 Amonipesunfat0,1M TiO/ A n i =30%,40%, 60%,80% TiO2/Ani = 16,6% CNTs/Ani = 10%, 20%, 30% Say (120 oC, giờ) Ði n cực compozit Ti/TiO2-PANi-CNTs Ti dạng tamTienxùl ý Ti/TiO2-PANi DungdịchP ANi Ti/TiO2-PANi Anilin + HCl +Amonipesunfat Ti/TiO2-PANi Hình 2.4.Quy trình tong hợp di n c? cTi/TiO2PANibangphuơngphápOXHN kethợpn húng Say (120oC, 2già) Ðin cụccompozitTi/ TiO2-PANi Hình2.6.Quytrìnhtonghợpdi nc?cTi/TiO2-PANiCNTsbangphuơngp h p past 2.2.2 Nghiêncúutínhchatđinhóa Các n cực đư c khăo sát tính chat n hóa thiet bị IM6 dung dịchH2SO40,5 M dung dịch nước thăi nhà máy bia (COD = 2100 3555 mg/L) sư dụngcácphư#ngpháp:QtthetuanhồnCV,đophotongtr,phâncựcthetĩnh,phâncựcdịngđng Chvơng3:KETQUẢVÀTHẢOLUN 3.1 Khảosátđ[ctrvngcautrúcvtliuđincựcTi/TiO2-PANivàTi/TiO2-PANi-CNTs 3.1.1.Phântíchphohongngoại(IR) Hình 3.1 Pho hong ngoại cũa v¾tliu Ti/TiO2PANichetạobangphuơngp h p CV(150chuky,tocdq u é t 20mV/s,tĭlTiO2/Ani=1/12(8,3%) Hình 3.2.Pho hong ngoại cũa v¾t li u Ti/TiO2PANichetạobangphuơngphápoxihóanhitkethợpnhúngtro ngdungdịchPANi(Nhitdnung nen Ti 500oC,thờigiannhúng60phút) 4000 3000 2000 -1 Wavenumbers(cm ) Sosóng(cm-1) 480.85 538.52 1110.32 1000 ) .u a( 1.8 tn ei c ffi eo 1.2 c yt is ne t 0.6 In CHưsnog hđaphtahpụt(haụ.u) 0.00 876.51 804.74 709.83 642.69 0.01 C-Hstretching C=Cs tr et ch ing ofbenzoid C=Nstretchingofquin oid C-Nstretching ofaro ma ti c ring C-N+ 1652.02 0.02 2855.81 0.03 2921,3090 1652 1564,1455 1226 1110, 1073 1564.05 Hs tretching 432.03 (c) Binding3550,3484,3393 N- 2918.32 0.04 Signals(cm-1) 3393.35 3550.05 3484.15 Cưngđhapthụ Intensitycoefficien 0.07 ) u )u 0.06 a( a(t 0.05 Hình3.3.Phohongngoạicũav¾tliuTi/TiO 2PANichetạobangphuơngphápoxihóanhitkethợpnhúngtrong dungdịcha n i l i n (NhitdnungnenTi500oC,dnhám180,t hờigiannhúng8phút) (d) 0.0 4000 3000 2000 1000 -1 Wavenumbers(cm Sosóng(cm -1) ) Hình 3.4.Pho hong ngoại cũa v¾t li u Ti/TiO2PANichetạobangphuơngpháppast(hàmluợngTiO2/A ni=40%) 3490.68 Ket quă cho thay, hong ngoại cŭa tat că v t li u n cực compozit Ti/TiO 2PANitonghpbangcácphư#ngphápdướicácđieukincụthetư#ngứngđeucócácpíc đ c trưng cho dao đ ng liên ket cŭa vòng benzen quinoid thu c cau trúc cŭaPANi.Ngồiracịnxuathincácpícđctrưngchodaođngliênketcŭamt sonhóm khác N-H, C-H, C-N th#m, CN+, C-H th#m phân tư PANi.Ketquăthuđư cchứngtŏt r o n g thànhphancŭacácđ i n c ự c compozit đeu có chứa phân tư PANiton tạidạng muoi xuat hi n cácpíchapphụcŭaSO42-vàCl- 3383.86 3226.77 2969.15 2830.91 2755.51 2610.99 1571.43 1480.88 1294.89 1145.61 1104.00 1067.29 988.98 807.88 648.81 543.58 416.32 Hình 3.5.Pho hong ngoại cũa v¾t li u Ti/TiO2-PANiCNTstonghợpbangphuơngpháppast(khoiluợngCNTs/Ani=30%) Bảng3.1.Tínhiudaodngtrênphohongngoạicũacácv¾tliuTi/TiO2PANitonghợpbangcácphuơngphápkhácnhauvàdinc?cTi/TiO2-PANiCNTstonghợpbangphuơngpháppast Liênket Ti/TiO2PANiOXHN+ nhúngPANi 3457 2921 1667 1508 1202 1112 896 564 - Ti/TiO2PANiPPCV 3426 2930 1647 1589 1085 1000 800 581 N-H C-H C=Cbenzoid C=Nquinoid C-Nth#m C-N+ C-Hth#m HapphụClHapphụSO42- Sosóng(cm -1) Ti/TiO2PANiOXHN+ nhúnganilin 3484 2918 1652 1564 1226 1110 876 538 - Ti/TiO2PANiPPpast 3490 2969 1571 1480 1294 1104 807 543 - Ti/TiO2PANi-CNTs PPpast 3432 2968 1557 1488 1298 1125 800 580 - 3.1.2.PhântíchgiảnđonhieuxạtiaX(XRD) Băng 3.2 ket quă phân tích từ giăn đo nhieu xạ tia X cŭa v t li u n cựcTi/TiO2-PANi che tạo bang phư#ng pháp khác (hình 3.6 đen 3.9) nhưđi n cực bien tính Ti/TiO2-PANi-CNTs tonghp bang phư#ng pháp past (hình 3.10).Trừphư#ngpháptonghpbangCV,cácphư#ngphápcịnlạiđeuxuathincácgóc2θđctrưngc hocácdạngtinhthecŭaTiO2làrutinvàanatat 120 600 Ti 500 80 Lin(Cps) Lin(Cps) 100 60 40 300 200 100 20 TiO2 Rutin TiO2 Anatat 400 20 30 40 50 60 70 20 30 Hình 3.6.Giăn nhieu xạ tia X cũa v¾t li uTi/TiO2PANitonghợpbangphuơngphápCV(150chuky, tocdquét 20 mV/s, tĭlTiO2/anilin=1/12( , %) 50 60 70 Hình3.7.GiăndonhieuxạtiaXcũav¾tliuTi/TiO2-PANitong hợpbangphuơngphápoxihóanhitkethợp nhúng dung dịch PANi (Nhi tdnung 500oC,thờigiannhúng60phút) 80 140 120 TiO2 Rutin TiO2 Anatat 60 100 Lin(Cps) Lin(Cps) 40 Góc2θ(đ) Góc2θ(đ) 80 60 40 PANi TiO2 Anatat TiO2 Rutin 40 20 20 0 20 30 40 50 60 70 Góc2θ(đ) Hình3.8.GiăndonhieuxạtiaXcũav¾tliuTi/TiO2-PANitonghợp bangphuơngphápoxihóanhitkethợp nhúngtrongdungdịchanilin(Nhitdnung500oC,dnhám180,th ờigiannhúng8phút) 20 30 40 50 60 70 Góc2θ(đ) Hình3.9.GiăndonhieuxạtiaXcũav¾tliuTi/TiO2PANi tong hợp bang phuơng pháppast(TiO2/Ani=40%) Ngồira,trêngiănđonhieuxạtiaXcŭavtliuTi/TiO 2-PANiCNTstonghpbangphư#ngpháppastcịnxuathingóc2θv ị trí23đđctrưngchoCNTs