(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp và biến tính vật liệu zno bởi g c3n4 ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐỖ THỊ HỒNG TRÂM TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ZnO h BỞI G-C3N4 ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG TRONG VÙNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN Chuyên ngành: Hóa vơ Mã số: 8440113 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Văn Kim LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Kim Các số liệu, kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa công bố dƣới hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu h LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Kim tận tình giúp đỡ hƣớng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy giáo, giáo, anh, chị, bạn phịng thực hành thí nghiệm hóa học- Khu A6- Trƣờng Đại học Quy Nhơn, giúp đỡ, tạo điều kiện, hỗ trợ tơi q trình thực đề tài Cuối cùng, xin cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo trƣờng THPT Tây Sơn, gia đình bạn bè ln động viên, khích lệ tinh thần thời gian tơi thực luận văn Mặc dù cố gắng nhiên luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc góp ý quý thầy giáo, cô giáo để Tôi xin chân thành cảm ơn! h luận văn đƣợc hoàn thiện hơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu h Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1.VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1.1.1 Khái niệm chất xúc tác quang chế phản ứng 1.1.2 Tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang 1.2.GIỚI THIỆU VỀ ZINC OXIDE (ZnO) 1.2.1 Cấu trúc 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ZnO lĩnh vực xúc tác quang 1.3 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHITIC CARBON NITRIDE (g-C3N4) 1.3.1 Đặc điểm cấu tạo 1.3.2 Phƣơng pháp tổng hợp tiềm ứng dụng g-C3N4 11 1.4.GIỚI THIỆU VỀ COMPOSITE g-C3N4/ZnO 13 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1.TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC 16 2.1.1 Hóa chất 16 2.1.2 Dụng cụ 16 2.1.3 Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine 17 2.1.4 Tổng hợp vật liệu ZnO từ zinc acetate dihydrate 17 2.1.5 Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/ZnO 17 2.2.PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU 18 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 18 2.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19 2.2.3 Phƣơng pháp phổ tán xạ khuếch tán tia tử ngoại khả kiến (UV-vis DRS) 20 2.2.4 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) 22 h 2.2.5 Phƣơng pháp phổ tán xạ lƣợng tia X (EDS) 23 2.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG 25 2.3.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 25 2.3.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu 25 2.3.3 Phân tích định lƣợng methylene blue 26 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU 28 3.1.1 Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 28 3.1.2 Đặc trƣng vật liệu ZnO 29 3.1.3 Đặc trƣng vật liệu composite g-C3N4/ZnO 32 3.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CÚA VẬT LIỆU 37 3.2.1 Xác định thời gian đạt cân hấp phụ - giải hấp phụ 37 3.2.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu 38 3.2.3 Khảo sát yếu tố thực nghiệm ảnh hƣởng tới trình quang xúc tác vật liệu composite g-C3N4/ZnO 40 3.2.4 Khảo sát chế phản ứng trình quang xúc tác 45 KẾT LUẬN 49 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Nồng độ (mg/L) g : gam L : lít mg : miligam nm : nanomet λ : Bƣớc sóng (nm) d : Kích thƣớc hạt trung bình CB : Conduction band (Vùng dẫn) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm) EDS : Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán xạ h lƣợng tia X) h⁺VB : Photogenerated hole (Lỗ trống quang sinh) IR : Infrared (Phổ hồng ngoại) MB : Methylene blue (Xanh metylen) SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) UV-Vis DRS : UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến) VB : Valance band (Vùng hóa trị) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Danh mục hóa chất 16 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố mẫu ZnO đặc trƣng phổ EDS 31 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố mẫu composite g-C3N4/ZnO 36 Bảng 3.3 Hằng số tốc độ vật liệu g-C3N4, ZnO composite g-C3N4/ZnO 40 Bảng 3.4 Sự thay đổi giá trị ΔpHi theo pHi 43 h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cơ chế phản ứng vật liệu biến tính Hình 1.2 Cấu trúc wurtzite vật liệu ZnO Hình 1.3 Mơ hình khối g-C3N4: s-triazine (a), tri-s-triazine (b) 10 Hình 1.4 Sơ đồ minh họa trình tổng hợp g-C3N4 từ tiền chất 11 Hình 2.1 Sơ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 18 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 19 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phổ EDS 24 Hình 2.4 Phổ UV-Vis dung dịch MB 27 Hình 2.5 Sự phụ thuộc cƣờng độ hấp thụ UV-Vis dung dịch MB bƣớc sóng 663 nm theo nồng độ 27 Hình 3.1 Các kết đặc trƣng vật liệu tổng hợp g-C3N4 từ melamine 28 Hình 3.2 Các kết đặc trƣng vật liệu tổng hợp ZnO từ zinc h acetatedihydrate 30 Hình 3.3 Phổ UV-vis DRS lƣợng vùng cấm mẫu vật liệu ZnO 32 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu vật liệu g-C3N4, ZnO g-C3N4/ZnO 33 Hình 3.5 Phổ IR mẫu vật liệu ZnO, g-C3N4 g-C3N4/ZnO 34 Hình 3.6 Ảnh SEM vật liệu: ZnO (a) g-C3N4/ZnO (b) 35 Hình 3.7 Phổ EDS mẫu vật liệu g-C3N4/ZnO 35 Hình 3.8 Phổ UV-vis DRS lƣợng vùng cấm composite gC3N4/ZnO 36 Hình 3.9 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ - giải hấp phụ vật liệu dung dịch MB 37 Hình 3.10 Sự phân hủy MB vật liệu g-C3N4, ZnO composite gC3N4/ZnO dƣới chiếu xạ (xúc tác 0,05 gam, nồng độ MB mg/L đèn LED 220V - 40W) 38 Hình 3.11 Sự phụ thuộc giá trị ln(C0/C) vào thời gian t (giờ) theo mơ hình Langmuir - Hinshelwood mẫu g-C3N4, ZnO composite g-C3N4/ZnO 39 Hình 3.12 Sự phân hủy MB vật liệu composite g-C3N4/ZnO nồng độ MB ban đầu khác (mxt = 0,05 g, V = 80 mL, đèn LED 220V - 40W) 40 Hình 3.13 Hiệu suất xúc tác quang g-C3N4/ZnO MB mg/L sử dụng cƣờng độ nguồn sáng khác (mxt = 0,05 g, V = 80 mL) 42 Hình 3.14 Sự phụ thuộc ΔpHi vào pHi nhằm xác định điểm điện tích khơng pHpzc vật liệu g-C3N4/ZnO 43 Hình 3.15 A-Sự thay đổi C/C0 theo thời gian pH đầu khác nhau; BHiệu suất quang phân hủy với pH đầu khác 44 Hình 3.16 A- Ảnh hƣởng chất dập tắt gốc tự đến trình phân h hủy MB vật liệu g-C3N4/ZnO (nồng độ MB mg/L, đèn LED 40W – 220W); B- Hiệu suất quang phân hủy dƣới tác dụng chất dập tắt khác 45 Hình 3.17 Mơ hình động học Langmuir-Hinshelwood áp dụng cho mẫu vật liệu g- C3N4/ZnO với chất dập tắt khác 46 Hình 3.18 Mơ hình giả thiết giảm trình tái kết hợp electron - lỗ trống vật liệu composite g-C3N4/ZnO 47