Nghiên cứu điều chế vật liệu ce sba 15 từ tro trấu và khảo sát ứng dụng quang xúc tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM Nguyễn Bình NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ce-SBA-15 TỪ TRO TRẤU VÀ KHẢO SÁT ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM Nguyễn Bình NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU Ce-SBA-15 TỪ TRO TRẤU VÀ KHẢO SÁT ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC Chun ngành : Hóa vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN THỊ HỒNG OANH Thành phố Hồ Chí Minh – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực, kết nghiên cứu hướng dẫn TS Phan Thị Hoàng Oanh chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc rõ ràng phép cơng bố Tác giả Nguyễn Bình LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, nỗ lực thân, nhận giúp đỡ to lớn thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm TP.HCM, phịng Sau đại học, q thầy tận tình giảng dạy tạo điều kiện để học viên học tập, nghiên cứu hoàn thành khóa học Cơ Phan Thị Hồng Oanh, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ nhiều, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Các thầy khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm TP.HCM, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, trường Đại học Bách khoa TP.HCM truyền đạt cho kiến thức quý báu, kinh nghiệm ý nghĩa trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè ủng hộ, động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn Tác giả Nguyễn Bình MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN .3 1.1 Vật liệu mao quản trung bình 1.1.1 Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình 1.1.2 Phân loại vật liệu mao quản trung bình .5 1.1.3 Sơ lược chất tạo cấu trúc 1.1.4 Vai trò chất tạo cấu trúc 1.1.5 Phân loại chất tạo cấu trúc 1.1.6 Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình .8 1.1.7 Cơ chế hình thành vật liệu SBA-15 11 1.2 Vật liệu mao quản trung bình SBA-15 ứng dụng 12 1.3 Giới thiệu xeri (IV) oxit 13 1.4 Một số cơng trình tổng hợp quang xúc tác CeO vật liệu SBA-15 15 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Nội dung nghiên cứu 17 2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu khảo sát ứng dụng 17 2.2.1 Tổng hợp SBA-15 từ nguồn silic tro trấu 17 2.2.2 Tổng hợp vật liệu Ce-SBA-15 18 2.2.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác phân hủy metylen xanh vật liệu Ce-SBA-15 18 2.3 Các phương pháp phân tích hóa lý 19 2.3.1 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử AES 19 2.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt TGA-DSC 20 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 20 2.3.4 Phương pháp đo phổ hồng ngoại IR 20 2.3.5 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM ảnh hiển vi truyền qua TEM 20 2.3.6 Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ 20 2.3.7 Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 20 2.3.8 Phương pháp đo phổ UV-Vis 21 2.4 Hóa chất dụng cụ, thiết bị 21 2.4.1 Hóa chất 21 2.4.2 Dụng cụ, thiết bị 21 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 22 3.1 Tổng hợp SBA-15, Ce-SBA-15 khảo sát đặc trưng 22 3.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu đầu tổng hợp SBA-15, Ce-SBA-15 22 3.1.2 Kết phân tích nhiệt mẫu gel SBA-15 chất rắn sau khuấy tẩm Ce 22 3.1.3 Kết đo XRD sản phẩm sau nung 24 3.1.4 Kết đo phổ hồng ngoại IR SBA-15 mẫu Ce-SBA-15-(x) 28 3.1.5 Kết ảnh SEM TEM mẫu SBA-15, Ce-SBA-15-(x) 30 3.1.6 Tính chất xốp SBA-15 Ce-SBA-15-(x) 32 3.1.7 Thành phần nguyên tố SBA-15 Ce-SBA-15-(x) 37 3.1.8 Kết đo phổ hấp thụ electron UV-Vis Ce-SBA-15-(x) CeO 38 3.2 Hoạt tính quang xúc tác vật liệu 42 3.2.1 λ max metylen xanh 42 3.2.2 Kết đường chuẩn dung dịch metylen xanh 43 3.2.3 Khả quang xúc tác vật liệu 44 3.2.4 Kết đo thành phần vật liệu sau phản ứng xúc tác 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AES : Phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectrometry) CTABr : cetyltrimetyl amoni bromua DSC : Nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry) EDS : Phổ tán sắc lượng tia X (Energy Dispersive Spectrometer) EO : mắc xích etylen oxit -CH -CH -O- HĐBM : hoạt động bề mặt IR : Phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy) IUPAC : International Union of Pure and Applied Chemistry MCM : Mobil Composition of Matter MQTB : mao quản trung bình P 123 : poly (etylen glycol)-poly (propylen glycol)-poly (etylen glycol) PO : mắc xích propylen oxit -CH -CH(CH )-O- SBA : Santa Barbara Amorphous SEM : Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy) TEM : Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy) TGA : Phân tích khối lượng nhiệt (Thermogravimetric Analysis) TPABr : tetrapropyl amoni bromua XRD : Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) ZSM : Zeolite Socony Mobil λ : bước sóng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại SBA tổng hợp từ chất HĐBM khác Bảng 2.1 Nồng độ metylen xanh sau định mức 19 Bảng 3.1 Khoảng tâm mao quản liền mẫu SBA-15 Ce-SBA-15-(x) 26 Bảng 3.2 Tần số đặc trưng peak hấp thụ phổ IR SBA-15 29 Bảng 3.3 Đường kính mao quản SBA-15 mẫu Ce-SBA-15-(x) 32 Bảng 3.4 Tính chất xốp vật liệu SBA-15 mẫu Ce-SBA-15-(x) 35 Bảng 3.5 Giá trị đường kính tính từ hai phương pháp đo khác 36 Bảng 3.6 Hàm lượng tỉ lệ mol nguyên tố Si Ce mẫu 38 Bảng 3.7 Giá trị lượng vùng cấm bước sóng tương ứng mẫu Ce-SBA-15-(x) CeO 41 Bảng 3.8 Mật độ quang dung dịch metylen xanh có nồng độ khác 43 Bảng 3.9 Hiệu suất phân hủy metylen xanh mẫu vật liệu 44 Bảng 3.10 Hàm lượng nguyên tố vật liệu sau phản ứng xúc tác 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Phân loại vật liệu mao quản theo IUPAC Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp dựng khung từ khống bentonite Hình 1.3 loại cấu trúc thường gặp vật liệu MQTB .6 Hình 1.4 Sự hình thành nên mạng lưới vi mao quản sử dụng tác nhân tạo cấu trúc amin bậc bốn có chuỗi alkyl ngắn (a) hình thành mạng lưới vật liệu MQTB sử dụng chất tạo cấu trúc có chuỗi alkyl dài (b) .6 Hình 1.5 Hình mẫu chất tạo cấu trúc Hình 1.6 Phân loại chất tạo cấu trúc theo điện tích .8 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp hình thành vật liệu MQTB .9 Hình 1.8 Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình Hình 1.9 Minh họa chế hình thành SBA-15 11 Hình 1.10 Tương tác tĩnh điện chế hình thành cấu trúc SBA-15 11 Hình 1.11 Sự tồn nhóm hiđoxi bề mặt thành mao quản SBA-15 13 Hình 1.12 Ơ mạng sở CeO lý tưởng 13 Hình 1.13 Minh họa chế quang xúc tác CeO 15 Hình 3.1 Giản đồ TGA-DSC mẫu gel thu sau ủ nhiệt quy trình 2.2.1.2 22 Hình 3.2 Giản đồ TGA-DSC mẫu tẩm với tỉ lệ x = 40 24 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ XRD góc nhỏ sản phẩm sau nung 25 Hình 3.4 Khoảng cách mặt mạng (100) vật liệu SBA-15 26 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ XRD góc lớn mẫu SBA-15 mẫu Ce-SBA-15-(x) 27 Hình 3.6 Phổ IR mẫu SBA-15 28 Hình 3.7 Phổ IR mẫu Ce-SBA-15-(x) mẫu SBA-15 29 Hình 3.8 Ảnh SEM vật liệu SBA-15 30 Hình 3.9 Ảnh TEM top view (a) side view (b) vật liệu SBA-15 31 Hình 3.10 Ảnh TEM top view Ce-SBA-15-(160) (a); Ce-SBA-15-(80) (b) Ce-SBA-15-(40) (c) 31 Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N SBA-15 mẫu Ce-SBA-15-(x) 33 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phân bố kích thước lỗ xốp SBA-15 (a) mẫu Ce-SBA-15-(160) (b) 34 Hình 3.13 Cơng thức cấu tạo metylen xanh 36 Hình 3.14 Phổ EDS SBA-15 (a) Ce-SBA-15-(160) (b) 38 Hình 3.15 Phổ UV-Vis rắn mẫu Ce-SBA-15-(x) mẫu CeO 40 Hình 3.16 Các mẫu Ce-SBA-15-(160) (a); Ce-SBA-15-(80) (b) Ce-SBA-15-(40) (c) 40 Hình 3.17 Đồ thị theo hàm Tauc mẫu Ce-SBA-15-(x) CeO 41 Hình 3.18 Phổ UV-Vis metylen xanh 42 Hình 3.19 Đường chuẩn dung dịch metylen xanh nồng độ – ppm 43 Hình 3.20 Mơ hình thí nghiệm phản ứng quang xúc tác 44 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn hiệu suất phân hủy mẫu theo thời gian 45 Hình 3.22 Phổ EDS vật liệu sau phản ứng quang xúc tác: Ce-SBA-15-(160) (a); Ce-SBA-15-(80) (b) Ce-SBA-15-(40) (c) 47 28 Phụ lục 29 Đồ thị phân bố kích thước mao quản Ce-SBA-15-(80) 29 Phụ lục 30 Đồ thị phân bố kích thước mao quản Ce-SBA-15-(40) 30 Phụ lục 31 Kết đo diện tích bề mặt riêng BET SBA-15 31 Phụ lục 32 Kết đo diện tích bề mặt riêng BET Ce-SBA-15-(160) 32 Phụ lục 33 Kết đo diện tích bề mặt riêng BET Ce-SBA-15-(80) 33 Phụ lục 34 Kết đo diện tích bề mặt riêng BET Ce-SBA-15-(40) 34 Phụ lục 35 Phổ EDS thành phần nguyên tố SBA-15 35 Phụ lục 36 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(160) 36 Phụ lục 37 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(80) 37 Phụ lục 38 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(40) 38 Phụ lục 39 Phổ UV-Vis rắn CeO Phụ lục 40 Phổ UV-Vis rắn Ce-SBA-15-(160) 39 Phụ lục 41 Phổ UV-Vis rắn Ce-SBA-15-(80) Phụ lục 42 Phổ UV-Vis rắn Ce-SBA-15-(40) 40 Phụ lục 43 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(160) sau phản ứng xúc tác 41 Phụ lục 44 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(80) sau phản ứng xúc tác 42 Phụ lục 45 Phổ EDS thành phần nguyên tố Ce-SBA-15-(40) sau phản ứng xúc tác