Chế tạo xúc tác nano vàng bằng phương pháp xanh mang trên ceria nanorod cho quá trình khử p nitrophenol trong nước

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO XÚC TÁC NANO VÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XANH MANG TRÊN CERIA NANOROD CHO QUÁ TRÌNH KHỬ p-NITROPHENOL TRONG NƯỚC Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ Chủ nhiệm nhiệm vụ: KS Hồ Gia Thiên Thanh Thành phố Hồ Chí Minh - 2022 ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO XÚC TÁC NANO VÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XANH MANG TRÊN CERIA NANOROD CHO QUÁ TRÌNH KHỬ p-NITROPHENOL TRONG NƯỚC (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 03/12/2022) Chủ nhiệm nhiệm vụ Hồ Gia Thiên Thanh Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong Cơ quan chủ trì nhiệm vụ Đồn Kim Thành Thành phố Hồ Chí Minh - 2022 THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP.HCM, ngày 14 tháng 10 năm 2022 BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KH&CN I THÔNG TIN CHUNG Tên nhiệm vụ: Chế tạo xúc tác nano vàng phương pháp xanh mang ceria nanorod cho trình khử p-nitrophenol nước Thuộc: Chương trình/lĩnh vực (tên chương trình/lĩnh vực): Vườn ươm Sáng tạo Khoa học Công nghệ trẻ Chủ nhiệm nhiệm vụ: - Họ tên: Hồ Gia Thiên Thanh Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/ 1997 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: khơng có Chức danh khoa học: Kỹ sư Chức vụ: Nghiên cứu viên Điện thoại: Tổ chức: 028-38244430 Mobile: 0906234037 Fax: 0283.8293889 E-mail: hogiathienthanh97@gmail.com Tên tổ chức công tác: Viện Cơng nghệ Hóa học - Viện Hàn lâm KH&CNVN Địa tổ chức: 01A, đường TL29, Phường Thạnh Lộc, Quận 12, TP.HCM Địa nhà riêng: 174/95 Nguyễn Thiện Thuật, Phường 3, Quận 3, TP.HCM Tổ chức chủ trì nhiệm vụ: - Tên tổ chức chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ Điện thoại: 028-38230780 – 38233363 Fax: 028-38233363 E-mail: vuonuomtst@gmail.com Website: www.khoahoctre.com.vn Địa chỉ: Số Phạm Ngọc Thạch, P Bến Nghé, Quận 1, TP Hồ Chí Minh Họ tên thủ trưởng tổ chức: Số tài khoản: 932.0101.000.20 Kho bạc: Kho bạc Nhà nước Quận 1, Tp Hồ Chí Minh Tên quan chủ quản đề tài: II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN Thời gian thực nhiệm vụ: - Theo Hợp đồng ký kết: từ ngày 08 tháng 12 năm 2021 đến ngày 08 tháng 12 năm 2022 - Thực tế thực hiện: từ ngày 08 tháng 12 năm 2021 đến ngày 30 tháng 10 năm 2022 Kinh phí sử dụng kinh phí: a) Tổng số kinh phí thực hiện: 90.000.000 đồng, đó: + Kính phí hỗ trợ từ ngân sách khoa học: 90.000.000 đồng + Kinh phí từ nguồn khác: đồng b) Tình hình cấp sử dụng kinh phí từ nguồn ngân sách khoa học: Theo kế hoạch Thực tế đạt Thời gian Kinh phí Thời gian Kinh phí (Tháng, năm) (đồng) (Tháng, năm) (đồng) 30/5/2022 45.000.000 30/5/2022 45.000.000 30/10/2022 27.000.000 Sau nghiệm thu 18.000.000 c) Kết sử dụng kinh phí theo khoản chi: Số TT Ghi (Số đề nghị toán) Đơn vị tính: đồng Số TT Nội dung khoản chi Trả công lao động (khoa học, phổ thông) Nguyên, vật liệu, lượng Thiết bị, máy móc Xây dựng, sửa chữa nhỏ Chi khác Tổng cộng Thực tế đạt Theo kế hoạch Tổng NSKH Nguồn Tổng NSKH Nguồn khác khác 83.314.840 83.314.840 83.314.840 83.314.840 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6.685.160 6.685.160 90.000.000 90.000.000 0 6.685.160 6.685.160 90.000.000 90.000.000 - Lý thay đổi (nếu có): Các văn hành q trình thực đề tài/dự án: (Liệt kê định, văn quan quản lý từ công đoạn xét duyệt, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực có); văn tổ chức chủ trì nhiệm vụ (đơn, kiến nghị điều chỉnh có) Số Số, thời gian ban hành văn Tên văn Ghi TT … Tổ chức phối hợp thực nhiệm vụ: Khơng có Cá nhân tham gia thực nhiệm vụ: (Người tham gia thực đề tài thuộc tổ chức chủ trì quan phối hợp, không 10 người kể chủ nhiệm) Tên cá nhân đăng ký theo Thuyết minh KS Hô Gia Thiên Thanh Tên cá nhân tham gia thực KS Hô Gia Thiên Thanh KS Đỗ Bá Long KS Đỗ Bá Long TS Nguyễn Trí TS Nguyễn Trí Số TT Nội dung tham gia Xây dựng thuyết minh chi tiết đề tài Nội dung đến Nội dung đến Xây dựng thuyết minh chi tiết đề tài Nội dung Sản phẩm chủ yếu đạt Đạt theo yêu cầu đăng ký Đạt theo yêu cầu đăng ký Đạt theo yêu cầu đăng ký Ghi chú* - Lý thay đổi (nếu có): Tình hình hợp tác quốc tế: Khơng có Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị: Số TT Theo kế hoạch (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Hội thảo khoa học báo cáo chuyên đề liên quan nội dung đề tài Thời gian: Tháng 10/2022 Kinh phí: 4.900.000 đồng - Lý thay đổi (nếu có): Thực tế đạt (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Hội thảo khoa học báo cáo chuyên đề liên quan nội dung đề tài Thời gian: ngày 18/10/2022 Kinh phí: 4.900.000 đồng Địa điểm: 197 Tơn Thất Thuyết, Quận 4, TP.HCM Ghi chú* Tóm tắt nội dung, công việc chủ yếu: (Nêu mục 15 thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát nước nước ngoài) Số TT Các nội dung, công việc chủ yếu (Các mốc đánh giá chủ yếu) Xây dựng thuyết minh chi tiết đề tài Tổng hợp ceria nanorod phương pháp thủy nhiệt xúc tác nano vàng mang ceria nanorod với hàm lượng vàng khác sử dụng dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử ổn định Khảo sát hoạt tính xúc tác phản ứng khử pnitrophenol nước thành p-aminophenol Xác định thành phần xúc tác phù hợp Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác, nồng độ chất khử tỉ lệ chất tham gia phản ứng đến hoạt tính xúc tác tốt Xác định điều kiện phản ứng phù hợp đánh giá độ bền xúc tác Phân tích tính chất lý hóa xúc tác phương pháp: BET, XRD, SEM, HRTEM, EDX, ICP-MS Báo cáo khoa học tổng kết Thời gian (Bắt đầu, kết thúc - tháng … năm) Theo kế Thực tế đạt hoạch Th12/2021 – Th12/2021 – Th01/2023 Th01/2023 Người, quan thực - KS Hồ Gia Thiên Thanh - TS Nguyễn Trí - KS Hồ Gia Thiên Thanh - KS Đỗ Bá Long Th01/2022Th6/2022 Th01/2022Th4/2022 Th3/2022Th8/2022 Th3/2022Th7/2022 - KS Hồ Gia Thiên Thanh - KS Đỗ Bá Long Th5/2022Th8/2022 Th5/2022Th8/2022 - KS Hồ Gia Thiên Thanh - KS Đỗ Bá Long Th5/2022Th11/2022 Th5/2022Th9/2022 - KS Hồ Gia Thiên Thanh - KS Đỗ Bá Long Th11/2022Th12/2022 Th9/2022Th/10/2022 - KS Hồ Gia Thiên Thanh - TS Nguyễn Trí - Lý thay đổi (nếu có): Hồn thành sớm kế hoạch III SẢN PHẨM KH&CN CỦA NHIỆM VỤ Sản phẩm KH&CN tạo ra: a) Sản phẩm Dạng II: Số TT Tên sản phẩm Báo cáo tổng hợp xúc tác nano vàng mang ceria nanorod phương pháp xanh sử dụng dịch chiết vỏ bưởi làm tác nhân khử Báo cáo phân tích tính chất lý-hóa hoạt tính mẫu xúc tác Au/CeO2 Yêu cầu khoa học cần đạt Theo kế hoạch Thực tế đạt Quy trình cụ thể - Đã đưa quy trình cụ thể thơng số, điều kiện, thơng số, điều kiện, thành phần thành phần tâm hoạt tâm hoạt tính tính - Quy trình có hiệu cao: tổng Quy trình có hiệu hợp AuNP, nano CeO2 đạt cao: tổng hợp yêu cầu (nêu sảng phẩm Dạng AuNP, nano CeO2 đạt I) với thời gian tổng hợp ngắn yêu cầu (nêu sảng phẩm Dạng I) với thời gian tổng hợp ngắn Đầy đủ tính chất - Đã đưa kết phân lý-hóa hoạt tính tích đầy đủ tính chất lý hóa xúc tác mẫu, xúc tác BET, XRD, SEM, sở phân HRTEM, EDX, ICP tích, xác định - Tương tác Au CeO2 mối quan hệ tính làm tăng diện tích bề mặt riêng, chất đến hoạt tính xúc đường kính lỗ xốp thể tích lỗ tác chúng xốp so với CeO2 trước biến tính (90,0 m2/g, 23,8 Å 0,110 cm3/g so với 71,8 m2/g, 23,0 Å 0,089 cm3/g) Ghi 01 01 b) Sản phẩm Dạng III: Số TT Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học cần đạt Theo kế hoạch Bài báo Thể kết nghiên quốc tế cứu từ đề tài công bố tạp chí quốc tế danh mục ESCI/SCOPUS Thực tế đạt 01 báo quốc tế đăng tạp chí quốc tế danh mục ESCI/SCOPUS d) Kết đào tạo: Khơng có đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp: Không có Số lượng, nơi cơng bố (Tạp chí, nhà xuất bản) 01 báo quốc tế đăng tạp chí RSC Advances (Q1, SCIE) e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN ứng dụng vào thực tế: Khơng có Đánh giá hiệu nhiệm vụ mang lại: a) Hiệu khoa học công nghệ: Nghiên cứu giúp cho hiểu biết rõ phương pháp điều chế hạt nano vàng đính chất mang ceria nanorod phương pháp hóa học xanh, an tồn, tốn kém, đơn giản, dễ thực tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có nước ta vỏ trái bưởi Bên cạnh đó, vật liệu cịn có khả ứng dụng lĩnh vực xử lý p-NP với quy trình cơng nghệ đơn giản, ứng dụng với quy mơ từ nhỏ đến lớn có tiềm cao nhiều nhà máy, khu cơng nghiệp gặp vấn đề việc xử lý chất thải hữu khó phân hủy tồn nước Đây vốn vần đề quan tâm hàng đầu Việt Nam nói riêng giới nói chung b) Hiệu kinh tế xã hội: Sản phẩm đề tài vật liệu hệ đáp ứng tiêu chí “hóa học xanh”, có khả chuyển hóa chất hữu nhiễm khó phân hủy nước thành chất có ích sử dụng dược phẩm Việc sử dụng dịch chiết phụ phẩm vỏ bưởi phổ biến Việt Nam làm tác nhân khử để tổng hợp phương pháp “xanh” thân thiện với môi trường, không tạo sản phẩm phụ độc hại, không cần qua công đoạn xử lý tinh chế sản phẩm, đơn giản có hiệu kinh tế cao; mặt góp phần làm đa dạng hóa tự chủ nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất vật liệu đa chức xử lý nước thải, mặt khác góp phần nâng cao giá trị bưởi Tình hình thực chế độ báo cáo, kiểm tra nhiệm vụ: Số TT I II III Nội dung Báo cáo tiến độ Lần Báo cáo giám định Nghiệm thu sở Chủ nhiệm đề tài (Họ tên, chữ ký) Hồ Gia Thiên Thanh Thời gian thực 23/8/2022 Ghi (Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…) - Người chủ trì: Đồn Kim Thành - Đề tài hồn thành 4/6 nội dung cơng việc - Đề tài hồn thành cơng việc tiến độ Thủ trưởng tổ chức chủ trì (Họ tên, chữ ký đóng dấu) Đồn Kim Thành MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC HÌNH v MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Sự cần thiết nghiên cứu: 1.1.2 Tình hình nghiên cứu Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Ký hiệu mẫu xúc tác với hàm lượng vàng khác mang CeO2 13 2.2 Điều chế xúc tác nano vàng mang ceria nanorod sử dụng phương pháp hóa học xanh 13 2.2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị sử dụng 13 2.2.2 Điều chế chất mang ceria nanorod 14 2.2.3 Điều chế hệ xúc tác AuNPs/CeO2 15 2.3 Phân tích tính chất lý hóa chất mang xúc tác 17 2.3.1 Quang Phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) 17 2.3.3 Thành phần pha mẫu vật liệu (XRD) 18 2.3.4 Phổ tán xạ lượng tia X (EDS) Raman 18 2.3.5 Phân tích nguyên tố (ICP-MS) 18 2.3.6 Diện tích bề mặt riêng Brunauer-Emmett-Teller (BET) 19 2.3.7 Hình thái bề mặt cấu trúc bên mẫu vật liệu (SEM TEM) 19 2.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác 20 2.4.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 20 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng vàng mang CeO2 21 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ xúc tác phản ứng 21 2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ mol p-NP NaBH4 22 2.4.5 Khảo sát độ bền xúc tác sau lần phản ứng 22 i Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 23 3.1 Tính chất hóa lý xúc tác 23 3.1.1 Giản đồ xạ tia X(XRD) 23 3.1.2 Quang phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier 24 3.1.3 Phổ tán xạ tia X (EDS) raman 25 3.1.4 Phân tích nguyên tố ICP-MS 26 3.1.5 Diện tích bề mặt riêng, đường kính thể tích lỗ xốp xúc tác 27 3.1.6 Hình thái bề mặt cấu trúc bên xúc tác (FE-SEM, HR-TEM) 29 3.2 Hoạt tính xúc tác 23 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng vàng mang CeO2 31 3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác 32 3.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ mol p-nitrophenol/NaBH4 33 3.2.4 So sánh hoạt tính loại xúc tác có tâm hoạt động vàng chất mang khác 34 3.3 Tính chất hoạt tính xúc tác sau lần tái sử dụng 35 3.3.1 Hoạt tính xúc tác sau lần tái sử dụng 35 3.3.2 Tính chất xúc tác sau trình phản ứng 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 ii Kết hình ảnh FE-SEM mẫu 0,2Au-Ce cho thấy xúc tác có dạng nano ngắn với độ đồng tương đối cao (hình 3.7a), chiều dài 50-70 nm chiều rộng 15-20 nm Đặc điểm cấu trúc vi mô mẫu tốt 0,2Au-Ce, khảo sát kết phân tích HR-TEM Phần sáng hình cho thấy CeO2 bao gồm ba bốn mặt liên kết chặt chẽ bên cạnh hạt nano vàng với kích thước nhỏ (hình 3.7b) Hình ảnh SAED (hình 3.7c) chứng minh xuất nano CeO2 với mặt phẳng (111), (200), (220) (311) mặt phẳng (111) Au0 Ngoài ra, số vân tinh thể tương ứng với mặt mạng tinh thể đặc trưng cho CeO2 có khoảng cách d 0,31 0,27 nm tương ứng với mặt phẳng (111) (200) (hình 3.7d) Hơn nữa, diện mặt phẳng Au (111) với khoảng cách d= 0,24 nm phát (hình 3.7e), tương tự nghiên cứu trước [48] Bên cạnh đó, biểu đồ phân bố kích thước AuNPs quan sát từ hình ảnh HRTEM cho thấy AuNPs có dạng hình cầu trải rộng kích thước nano 6,6±2,5 nm (Hình 3.7f) Ngồi ra, chiều dài chiều rộng nano ceria chứng minh tập trung 33,1±15,0 nm 7,1±2,1 nm, tương ứng (hình 3.7g h) Kết hồn tồn phù hợp với phân tích XRD hình ảnh FE-SEM mẫu 3.2 Hoạt tính xúc tác Để khảo sát hoạt tính xúc tác, phản ứng khử thực điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm, áp suất mơi trường xung quanh, với có mặt NaBH4 Mơi trường kiềm tạo thêm NaBH4, lúc p-nitrophenol chất có tính axit yếu, mơi trường kiềm chuyển thành p-nitrophenolate (O2NC6H4O-), kết đỉnh hấp thu chuyển từ 317 nm sang 400 nm Ngoài ra, số yếu tố có khả ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng như: hàm lượng tâm hoạt tính, hàm lượng xúc tác hay tỉ lệ p-nitrophenol với chất khử khảo sát để tìm điều kiện phù hợp cho 30 phản ứng Điều kiện ban đầu mẫu 0,1AuCe với hàm lượng xúc tác g/L tỉ lệ p-nitrophenol với NaBH4 1/200 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng vàng mang CeO2 Hình Ảnh hưởng hàm lượng vàng hiệu mẫu xúc tác phản ứng khử p-nitrophenol sau 30 phút (Dung tích phản ứng 250 mL; hàm lượng xúc tác g/L; tỉ lệ p-NP/NaBH4 =1/200) Hình 3.8 biểu diễn độ hấp thu theo thời gian dung dịch p-NP có mặt mẫu Au-CeO2 với hàm lượng Au khác Đỉnh hấp thu 400 nm dung dịch p-nitrophenolate giảm dần có mặt xúc tác, đỉnh hấp thu cực đại 297 nm tăng dần tạo thành p-aminophenol Đối với mẫu có Au, đỉnh p-nitrophenolate giảm nhanh chóng, đặc biệt mẫu xúc tác 0,2Au-Ce chuyển hóa 95% lượng tác chất ban đầu vòng 30 phút 31 Biểu đồ ln (C/C0) cho thấy phản ứng tuân theo động học bậc tất chất xúc tác sử dụng (Hình 3.9) Từ biểu đồ này, giá trị số tốc độ (k) tìm thấy 0,030, 0,150 0,033 phút1 tương ứng với xúc tác 0,1Au-Ce; 0,2Au-Ce 0,3Au-Ce Do đó, thứ tự tăng dần hiệu suất chuyển hóa xúc tác trình khử p-PNP sau: 0,1Au-Ce