Tổng hợp, đặc trưng và tính chất quang xúc tác vật liệu nano trên cơ sở zno

Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KÉT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Tổng hợp, đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu nano sở ZnO Mã số đề tài: 21.2CNHH03 Chủ nhiệm đề tài: TS Lưu Thị Việt Hà Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Hóa học Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 LỜI CÁM ƠN Đe tài thực nhóm nghiên cứu khoảng thời gian năm Khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Với nỗ lực học tập, nghiên cứu nhóm hỗ trợ từ tổ chức, cá nhân trường, đến đề tài hoàn thành tốt nhiệm vụ đặt Trước tiên, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới Lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Hóa học phụ trách phịng thí nghiệm ủng hộ lớn tinh thần trang thiết bị cần thiết phục vụ cho nghiên cứu Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Khoa, bạn bè anh chị từ Viện Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hỗ trợ chuyên môn, học thuật, đo đạc mẫu truyền đạt kinh nghiệm quý báu công bố khoa học Đặc biệt, nhóm nghiên cứu xin trân trọng cám ơn nhà Trường xét duyệt hỗ trợ mặt kinh phí để dự án có hội thực hóa hồn thành mục tiêu đề Mặc dù nhóm nghiên cứu cố gắng để hoàn thành dự án cách hồn chỉnh nhất, song có lẽ khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, nhóm nghiên cứu mong muốn nhận góp ý, hỗ trợ từ hội đồng khoa học, chuyên gia, người quan tâm đến đề tài đồng nghiệp để dự án hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 Nhóm tác giả PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tín tổng qt 1.1 Tên đề tài: Tổng họp, đặc trung tính chất quang xúc tác vật liệu nano sở ZnO 1.2 Mã số: 21.2CNHH03 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên (học vị, chức danh) TS Lưu Thị Việt Hà TS Nguyễn Thị Mai Thơ Đơn vị cơng tác Khoa Cơng nghệ Hóa học Khoa Cơng nghệ Hóa học TS Trần Thảo Quỳnh Ngân Khoa Cơng nghệ Hóa học TT Vai trò thực đề tài Chủ nhiệm đề tài Thành viên nghiên cứu Thành viên nghiên cứu 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ 24 tháng 03 năm 2022 đến tháng năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 09 năm 2023 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2022 đến tháng 08 năm 2023 1.6 Nhũng thay đổi so vói thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt cũa đề tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Ngày nay, vấn đề nhiễm nước thuốc nhuộm cịn sót lại từ nguồn khác (ngành dệt may, ngành công nghiệp giấy bột giấy, ngành công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm thuốc nhuộm, V.V.), nhiều loại chất nhiễm hữu khó phân hủy đưa vào nguồn nước tự nhiên hệ thống xử lý nước thải Trên thực tế, chúng có độc tính cao nguy hiểm cho thể sống, đó, việc loại bỏ chất bẩn hữu trước thải vào môi trường điều cần thiết Nhiều kỹ thuật sử dụng để phân hủy chất hữu gây ô nhiễm, cơng nghệ xử lí nước tiên tiến liên quan đến xúc tác quang hóa oxit kẽm (ZnO) dường công nghệ hứa hẹn Trong năm gần đây, chất quang xúc tác ZnO quan tâm nhiều tính chất ưu việt chúng Việc nâng cao hiệu suất lượng tử ZnO phản ứng xúc tác quang dị thể ánh sáng uv, ánh sáng nhìn thấy ánh sáng mặt trời đẩy mạnh nghiên cứu điều địi hỏi kiến trúc phù hợp để giảm thiểu điện tử trạng thái kích thích cực đại hấp thụ photon Một phương pháp hiệu gần đựơc nhà khoa học nghiên cứu thực phương pháp pha tạp (doping), ví dụ pha tạp kim loại, pha tạp phi kim hay đồng pha tạp kim loại phi kim Trong phương pháp pha tạp, báo cáo cho thấy thuộc tính pha tạp chủ yếu phụ thuộc vào chất phương pháp chuẩn bị vai trò hàm lượng chất pha tạp tối ưu kết hợp vào chất xúc tác quang ZnO Do đó, đề tài chúng tơi tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp kim loại (Ta) pha tạp phi kim (C) phương pháp thủy nhiệt với nhiệt độ thủy nhiệt hàm lượng c pha tạp khác nhau, sau nghiên cứu đặc trưng tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất quang nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác chúng ánh sáng nhìn thấy việc phân hủy chất hữu gây ô nhiễm Cuối cùng, vai trị “miếng” oxi hóa q trình quang xúc tác nghiên cứu, từ đề xuất chế phản ứng phân hủy chất hữu Mục tiêu a) Mục tiêu tổng quát Tổng hợp vật liệu nano sở ZnO, nghiên cứu đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu tổng hợp b) Mục tiêu cụ thể - Tổng hợp vật liệu nano Ta/ZnO điều kiện khảo sát khác nhau: nhiệt độ, hàm lượng Ta pha tạp - Tổng hợp vật liệu, C/ZnO với tỉ lệ c pha tạp khác - Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang vật liệu Ta/ZnO C/ZnO phương pháp hóa lí đại như: XRD, FT-IR, UV- VIS, PL, SEM - Nghiên cứu tính chất quang xúc tác vật liệu Ta/ZnO, C/ZnO thông qua phản ứng phân hủy chất màu hữu nước ánh sáng nhìn thấy Phương pháp nghiên cứu: a Tổng hợp vật liệu: Vật liệu tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt - Tổng hợp vật liệu Ta/ZnO: tiền chất muối kẽm axetat - Zn(CHsCOO)2, muối TaCls, dung môi etanol nước, môi trường bazơ - Tổng hợp vật liệu C/ZnO: tiền chất muối kẽm axetat - Zn(CHsCOO)2, polyvinyl ancol, dung môi etanol nước, môi trường bazơ b Phương pháp nghiên cứu: Các đặc trưng tính chất vật liệu nghiên cứu phương pháp Hóa lý như: XRD, FT-IR, UV-VIS, PL, SEM, XPS c Đánh giá hoạt tính quang xúc tác vật liệu thông qua phản ứng phân hủy methylen blue ánh sáng nhìn thấy Nồng độ (MB) thay đổi theo thời gian xác định theo phưong pháp đo quang phổ Uv-vis Tỗng két kết nghiên cứu Đe tài đạt kết nghiên cứu sau: - Đã tổng hợp thành công vật liệu Ta/ZnO phưong pháp thủy nhiệt với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau: 110, 150 170 °C, hàm lượng Ta pha tạp 2% mol (nTa5+/nzn2+=2%); - Đã tổng hợp thành công vật liệu C/ZnO phưong pháp thủy nhiệt với hàm lượng c pha tạp khác nhau; - Đã nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu ZnO pha tạp Ta ZnO pha tạp c thu cấu trúc tinh thể, đặc trưng liên kết, hình thái học bề mặt, tính chất hấp thu quang trạng thái hóa học bề mặt; - Đã nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác vật liệu với phản ứng phân hủy MB ánh sáng nhìn thấy ánh sáng mặt trời; - Đánh giá vai trò Ta, c pha tạp ảnh hưởng đến đặc trưng tính chất hoạt tính quang xúc tác ZnO; - Đã nghiên cứu vai trị “miếng” oxi hóa đề nghị chế xúc tác phản ứng phân hủy MB Đánh giá kết đạt kết luận Kết đạt được: báo khoa học (Q2) đăng tạp chí RSC Advance Tóm tắt két (tiếng Việt tiếng Anh) Trong báo cáo này, vật liệu nano ZnO (Ta-ZnO) pha tạp Ta tổng hợp phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ khác (110, 150 170°C) để thực phản ứng phân hủy metylen xanh (MB) ánh sáng khả kiến Pha tạp Ta ảnh hưởng đáng kể đến khuyết tật tinh thể, tính chất quang hiệu suất quang xúc tác MB vật liệu ZnO Gờ hấp thu quang Ta-ZnO 150 bị dịch chuyển phía bước sóng dài so với vật liệu ZnO, tương ứng với thu hẹp vùng cấm (EgTa-zn0 =2,92 eV; EgZno=3,07 eV), cho thấy vật liệu ZnO pha tạp Ta có khả hấp thụ ánh sáng khả kiến Bên cạnh đó, pha tạp Ta làm tăng cường phát xạ ánh sáng xanh lam quang phổ phát quang, điều có liên quan đến khuyết tật oxy Vo° Điều quan sát phổ XPS, tỷ lệ phần trăm oxy vùng thiếu oxy (O531,5eV) Ta-ZnO150 cao so với ZnO150 Khuyết tật oxy nhân tố quan trọng làm tăng hiệu quang xúc tác ZnO Hiệu suất phân hủy MB mẫu Ta-ZnO 150 đạt cao gấp 2,5 lần so với ZnO chiếu xạ đèn halogen (HL) Điều đáng ý, ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến đặc tính cấu trúc, hình thái hoạt tính quang hóa vật liệu ZnO pha tạp ta thảo luận chi tiết Kết là, nhiệt độ thủy nhiệt tối ưu để tổng hợp nano Ta-ZnO 150°C Hon nữa, thí nghiệm quang xúc tác thực ánh sáng mặt trời mô ánh sáng mặt trời tự nhiên Bản chất q trình phân hủy quang oxy hóa MB nghiên cứu In this work, Ta-doped ZnO (Ta-ZnO) nanomaterials were synthesized by the hydrothermal method at different temperatures (110, 150, and 170 °C) for the photodegradation of methylene blue (MB) under visible light Ta doping significantly affects the crystal defects, optical properties, and MB photocatalytic efficiency of ZnO materials The optical absorption edge of Ta-ZnO 150 was redshifted compared to undoped ZnO, correlating to bandgap narrowing (EgTa-ZnO=2.92 eV;EgZnO=3.07 eV), implying that Ta doped ZnO is capable of absorbing visible light Besides, Ta-doping was the reason for enhanced blue light emission in the photoluminescence spectrum, which is related to the oxygen defect Vo° It is also observed in the XPS spectra, where the percentage of oxygen in the oxygendeficient regions (0531.5eV) of Ta-ZnO150 is higher than that of ZnO150 It is an important factor in enhancing ZnO's photocatalytic efficiency The MB degradation efficiency of Ta-doped ZnO reached the highest for Ta-ZnO 150 and was 2.5 times higher than ZnO under a halogen lamp (HL) Notably, the influence of hydrothermal temperature on the structural, morphological, and photoelectrochemical properties was discussed in detail As a result, the optimal hydrothermal temperature for synthesizing the nanorod is 150 °C Furthermore, photocatalytic experiments were also performed under simulated sunlight and natural sunlight Thenature of the photo-oxidative degradation of MB was also investigated III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo Két nghiên cứu {Sản phẩm dạng III) TT Tên sản phẩm Bài báo khoa học Đăng ký ISI/Scopus/Q3/Q4 Đạt Q2- Tạp chí RSC Advance IV Tình hình sử dụng kinh phí Nội dung chi TT Kinh phí Kinh phí Ghi duyệt thực (đồng) (đồng) Chì phỉ trực tiếp Cơng lao động 34,354,400 34,354,400 Nguyên vật liệu, thiết bị, máy móc 12,223,000 12,223,000 Thiết bị dụng cụ 0 Cơng tác phí 0 Dịch vụ thuê 0 Hội nghị hội thảo, thù lao nghiệm thu kỳ 0 In ấn văn phịng phẩm 0 Chi phí khác 3,417,600 3,417,600 B Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện nước 50,000,000 50,000,000 Tổng số V Kiến nghị Để thực đề tài nhóm tác giả hợp tác với viện nghiên cứu đạt số kết mong muốn Tuy nhiên kinh phí có hạn nên việc thực khảo sát chưa tiến hành Nhóm mong muốn rằng, đề tài sau nhà trường cấp kinh phí đủ để thực cho kết tốt VI Phụ lục sản phẩm Bài báo: “One-step hydrothermal preparation of Ta-doped ZnO nanorods for improving decolorization efficiency under visible light” Tạp chí RSC Advance, DOI: https://doi.org/10.1039/D2RA07655A Tp HCM, ngày tháng Chủ nhiệm đề tài TS Lưu Thị Việt Hà Phòng QLKH&HTQT năm 2023 Trưởng (đơn vị) PGS.TS Nguyễn văn Cường PHẦN H BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC I Tồng quan (Nội dimg 1) 1.1 Tổng quan vật liệu ZnO 1.1.1 Cấu trúc tinh thề ZnO ZnO hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AHBVI bảng tuần hồn nguyên tố hóa học Mendel eep Tinh thề ZnO, kiện bình thuờng bền vững vói cắu trúc lục giác wurtizite.Ngoài cấu trúc lục giác bền vũng, ZnO cịn tồn trạng thái giả bền, cắu trúc lập phuong đon giản kiểu NaCl(khi áp suất thủy tĩnh cao) cắu trúc giả kẽm (khi nhiệt độ cao) Hình 1.1 Cấu trúc tinh thề ZnO Cấu trúc lục giác wurtzite cấu trúc ồn (finh bền vững ZnO kiện nhiệt độ phịng áp suất khí Mỗi đon vị chứa hai phân tử ZnO Hinh 1.1 trình bày mạng lục giác wurtzite ZnO Có thể hình dung mạng wurtzite gồm phân tử mạng lục giác xếp với cation anion lồng vào đuợc dịch khoảng u= 3/8 (bằng 0,375) chiều cao Trong thực tế phân mạng lồng vói khơng với giá trị 3/8 chiều cao mà tùy theo tùng loại hợp chất, giá trị dịch chuyển khác Một nhũng tính chắt đặt trung phân mạng lục giác xếp chặt giá trị tỷ số c/a Trng họp lí tuởng, tỷ số c/a =1,633 Đối với mạng tinh thề lục giác kiểu wurtzite ZnO, nguyên tử Zn nằm vị trí (0,0,0) (1/3,2/3,1/2) nguyên tử o nằm vị trí (0,0,u) (1/3,2/3,1/2+u) với u= 0,345 Mỗi nguyên tử Zn liên kết vói nguyên tử o nằm đỉnh tứ diện gần Xung quanh nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc 2, đó: nguyên tử đỉnh lục giác mặt phẳng với nguyên tử ban đầu cách nguyên tử ban đầu khoảng a nguyên tử từ lăng trụ tam giác, cách nguyên tử ban đầu khoảng [l/3a2 T 1/4c2]l/2 Tinh thề lục giác ZnO khơng có tâm đổi xứng, mạng tồn mạng phân cục song song với huóng [0001] Liên kết mạng ZnO loại liên kết pha trộn bao gồm 67% liên kết ion 33% liên kết hóa trị Hằng số mạng cấu trúc dao động khoảng a = 0,32495 - 0,32860 nm c = 0,52069 - 0,5214 nm Khoảng cách mặt phẳng có số Milker (hkl) hệ lục giác wurtzite là: dhki — I = 5- h2 4- hk + h2 12 J-5 1.1.1 Tính chất vật lí vật liệu nano ZnO Bảng 1.1 Tính chất vật lý vật liệu ZnO Tính chầt Hóa trị Hằng số mạng (T=300K) a 0,32469 nm c 0,52069 nm Khối lượng riêng 5,606 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 2248 K Hằng số điện mơi hiệu dung 8,66 Độ rộng vung cấm (T=300K) 3,37 eV, chuyển mức thẳng Nồng độ hạt tải riêng