(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp và khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu composite cofe2o4 graphene oxide biến tính bởi nitrogen

GI O Ụ V OT O TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ HỒNG ĐIỆP TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE CoFe2O4/GRAPHENE OXIDE BIẾN TÍNH h BỞI NITROGEN Chuyên ngành Mã số : Hóa lý thuyết hóa lý : 8440119 Ngƣời hƣớng dẫn: TS NGUYỄN VĂN THẮNG LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan cơng trình kết nghiên cứu riêng em, đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Thắng Các số liệu, kết luận đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa công bố cơng trình nghiên cứu Em xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Trần Thị Hồng Điệp h LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Nguyễn Văn Thắng – ngƣời tận tâm hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên em hoàn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn Thầy, cơng tác Khoa Hóa - Trƣờng ại học Quy Nhơn, đặc biệt ô PGS TS Nguyễn Thị Vƣơng Hồn tận tình dạy dỗ, bảo cho em suốt khóa học thời gian thực đề tài Xin gửi lời cảm ơn đến anh, chị, bạn, em làm nghiên cứu phịng thực hành thí nghiệm hóa học- Khu A6- Trƣờng ại học Quy Nhơn, giúp đỡ, tạo điều kiện, hỗ trợ em trình thực đề tài uối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đặc biệt h tồn thể học viên lớp ao học chuyên ngành Hóa lý thuyết hóa lý, Hóa vơ tạo điều kiện cho em suốt khóa học thời gian nghiên cứu ù cố gắng thời gian thực luận văn nhƣng cịn hạn chế kiến thức, thời gian kinh nghiệm nghiên cứu nên luận văn em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc thông cảm ý kiến đóng góp q báu từ q Thầy, hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! ô để luận văn em đƣợc MỤC LỤC LỜI AM OAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ẦU h LÝ DO CHỌN Ề TÀI MỤ Í H V NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ỐI TƢỢNG VÀ PH M VI NGHIÊN CỨU 3.1 ối tƣợng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 PHƢƠNG PH P NGHIÊN ỨU 5 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN hƣơng TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc phƣơng pháp xử lý 1.1.1 Ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc 1.1.2 ác phƣơng pháp xử lý 1.2 Tổng quan trình quang xúc tác 13 1.2.1 Xúc tác quang phản ứng xúc tác quang hóa dị thể 13 1.2.2 chế phản ứng quang xúc tác 14 1.3 Tổng quan vật liệu 19 1.3.1 Vật liệu graphite 19 1.3.2 Vật liệu graphene, graphite oxide graphene oxide 21 1.3.3 Vật liệu graphene oxide biến tính nitrogen (GO-N) 25 1.3.4 Tâm hoạt động graphene graphene oxide 27 1.3.5 Giới thiệu spinel ferrite, CoFe2O4 28 1.3.6 Giới thiệu vật liệu composite CoFe2O4/GO-N 30 1.4 Giới thiệu Methylene blue (MB) 32 hƣơng THỰC NGHIỆM V PHƢƠNG PH P NGHIÊN ỨU 33 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 33 2.1.1 Hóa chất 33 2.1.2 Dụng cụ 33 2.1.3 Thiết bị 33 2.2 Tổng hợp vật liệu 34 2.2.1 Tổng hợp graphene oxide, graphene oxide biến tính Nitrogen khảo sát ảnh hƣởng nồng độ pha tạp N 34 h 2.2.2 Tổng hợp vật liệu CoFe2O4 khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ nung 35 2.2.3 Tổng hợp vật liệu composite CoFe2O4/ GO-N khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ GO-N 35 2.3 ác phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 36 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) 36 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 37 2.3.3 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) 38 2.3.4 Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UVVisible Diffuse Reflectance Spectroscopy) 39 2.3.5 Phổ quang điện tử tia X (X-ray photoelectron spectroscopy-XPS) 41 2.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu 44 2.4.1 Xây dựng đƣờng chuẩn cho methylene blue (MB) 44 2.4.2 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ giải hấp phụ 46 2.4.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu 46 2.4.4 ánh giá động học trình xúc tác quang 48 hƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Vật liệu GO-N 50 3.1.1 ặc trƣng mẫu vật liệu GO-N 50 3.1.2 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp N hoạt tính xúc tác quang GO-N 53 3.2 CoFe2O4 54 3.2.1 Xác định cấu trúc tinh thể theo phƣơng pháp XR FT-IR 54 3.2.2 Xác định lƣợng vùng cấm phƣơng pháp phổ UV-Vis DRS 56 3.2.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ nung đến khả quang xúc tác CoFe2O4 57 3.3 Vật liệu composite CF/GO-N-450 58 3.3.1 ặc trƣng vật liệu 58 3.3.2 Xác định hình thái hạt mẫu vật liệu CF/GO-N SEM 62 3.3.3 Xác định trạng thái hoá học bề mặt mẫu vật liệu CF/GO-N XPS 63 3.3.4 Ảnh hƣởng tỉ lệ GO-N với F đến khả quang xúc tác CF/GO-N 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 h KẾT LUẬN 69 KIẾN NGHỊ 69 DANH MỤ ƠNG TRÌNH Ã ƠNG Ố 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC QUYẾT ỊNH GIAO Ề TÀI LUẬN VĂN TH SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU C Nồng độ (mg/l) g Gam mg Miligam nm Nanomet λ bƣớc sóng h DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết Chú thích tiếng Anh Chú thích tiếng Việt tắt Q trình oxi hóa AOPs Advance oxidation process CB Conduction band Vùng dẫn CF Cobalt ferrite CoFe2O4 Energy Dispersive X-Ray Phƣơng pháp phổ tán Spectroscopy xạ lƣợng tia X Band gap energy Năng lƣợng vùng cấm Fourier Transform-Infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Spectroscopy Fourier GO Graphene oxide Graphen oxit GO-N Nitrogen-doped graphene oxide MB Methylene Blue PCBs Polychlorobiphenyls EDS hay EDX Eg FI-IR h SEM UV-Vis UV-Vis DRS VB XPS XRD nâng cao Graphen oxit biến tính nitơ Xanh Methylen Scanning Electron Kính hiển vi điện tử Microscopy quét Ultraviolet-visible Phổ hấp thụ phân tử Ultraviolet-visible diffuse reflectance spectra Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoạikhả kiến Valence band Vùng hóa trị X-ray photoelectron Phổ quang điện tử tia spectroscopy-XPS X X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các trình oxi hóa nâng cao khơng nhờ tác nhân ánh sáng 11 Bảng 1.2 Các q trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng 12 Bảng 1.3 Thế oxi hóa chất oxi hóa điển hình 15 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất dùng luận văn 33 Bảng 2 ộ hấp thụ dung dịch MB có nồng độ từ 0,05 đến 10 mg/L 45 Bảng 3.1 Dữ liệu thu đƣợc từ các mẫu vật liệu CF-450; CF/0,2-GO-N450; CF/0,3-GO-N-450, CF/0,4-GO-N-450 CF/0,5-GO-N-450 khảo sát động học theo mơ hình Langmuir-Hinshelwood 68 h DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể [62] 14 Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn chế oxi hóa [62] 16 Hình 2.1 Sơ đồ nhiễu xạ Rơnghen 36 Hình 2.2 Sơ đồ tia tới tia phản xạ mạng tinh thể 36 Hình 2.3 ộ tù peak phản xạ gây kích thƣớc hạt 37 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 38 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động Phổ quang điện tử tia X 42 Hình 2.6 Phổ quang điện tử tia X mẫu vật liệu 43 Hình 2.7 Phổ qu t UV-Vis dung dịch MB 44 Hình 2.8 thị đƣờng chuẩn MB có nồng độ 0,05 – 10 mg/L 45 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu GO GO-N với h hàm lƣợng pha tạp N khác 50 Hình 3.2 Phổ FT-IR mẫu GO mẫu GO-N 51 Hình 3.3 Phổ UV-Vis DRS mẫu vật liệu GO GO-N-1,5 52 Hình 3.4 thị phụ thuộc hàm Kubelka - Munk vào lƣợng photon nhằm ƣớc tính lƣợng vùng cấm Eg mẫu GO GON-1,5 53 Hình 3.5 thị biểu diễn phụ thuộc C/C0 MB theo thời gian chiếu sáng mẫu GO-N 53 Hình 3.6 Hiệu suất phân hủy (%) MB vật liệu GO-N với hàm lƣợng N khác sau chiếu sáng 54 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu CF nung nhiệt độ khác 54 Hình 3.8 Phổ FT-IR mẫu CF-450 55 Hình 3.9 Phổ UV-Vis DRS mẫu vật liệu CF-450 56