(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp và khảo sát tính chất xúc tác quang của vật liệu tio2 biến tính bằng các hạt nano ôxit sắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN VIỆT QUỐC TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TiO2 BIẾN TÍNH BẰNG CÁC HẠT NANO ƠXÍT SẮT h Chun ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8.44.01.04 Ngƣời hƣớng dẫn: TS BÙI VĂN HÀO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Bùi Văn Hào Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực chưa xuất công bố tác giả khác Tác giả luận văn Phan Việt Quốc h LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi chân thành cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn: TS Bùi Văn Hào, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm làm thực nghiệm để tơi hồn thành luận văn Trong suốt thời gian học tập thực luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm, cán bộ, giảng viên Khoa Vật lý Trường Đại học Quy Nhơn, người tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới bạn học viên nhóm làm luận văn hướng dẫn thầy giáo TS Bùi Văn Hào bạn học viên cao học lớp Vật lý chất rắn làm việc Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn - h Khoa Vật lý - Trường Đại học Quy Nhơn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, người thân bạn bè, người yêu thương, chia sẻ giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Rất mong góp ý, bảo q thầy cơ, anh chị bạn bè để luận văn hoàn thiện tốt Xin chúc q thầy cơ, gia đình bạn bè sức khỏe, hạnh phúc thành đạt Bình Định, tháng năm 2019 Tác giả luận văn Phan Việt Quốc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đ ch nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đ ch 2.2 Nhiệm vụ Đối tượng phạm vi nghiên cứu h Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu quang xúc tác bán dẫn 1.2 Biến tính vật liệu TiO2 chất bán dẫn 1.3 Biến tính vật liệu TiO2 Fe2O3 1.4 Giới thiệu phương pháp lắng đọng đơn lớp nguyên tử từ pha 13 Chƣơng THỰC NGHIỆM 20 2.1 Tổng hợp vật liệu TiO2/Fe2O3 phương pháp ALD 20 2.1.1 Mơ tả hệ thí nghiệm ALD 20 2.1.2 Mơ tả q trình thí nghiệm 20 2.2 Các phương pháp phân t ch hình thái, cấu trúc thành phần vật liệu 22 2.2.1 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM 22 2.2.2 Phương pháp phân tích kích hoạt neutron 23 2.3 Khảo sát tính chất xúc tác quang vật liệu 23 2.3.1 Vật liệu hóa chất 23 2.3.2 Thiết bị dụng cụ thí nghiệm 23 2.3.3.Các bước tiến hành thí nghiệm 23 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Hình thái vật liệu TiO2/Fe2O3 27 3.2 Tính chất xúc tác quang vật liệu TiO2/Fe2O3 30 3.3 Giải thích tính chất xúc tác quang vật liệu TiO2/Fe2O3 38 KẾT LUẬN 41 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐÈ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Lắng đọng đơn lớp nguyên tử từ pha (Atomic layer deposition) CB Vùng dẫn (Conduction band) DMSO Đimêtyl sunfoxit (Dimethyl sulfoxide) EDTA Axit etylen diamin tetra acetic (Ethylenediaminetetraacetic acid) Eg Năng lượng vùng cấm (Band gap energy) KClO3 Kali clorat (Potassium chlorate) Fe(thd)3 Iron (III) tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) O2 - Ion gốc siêu oxit (Superoxide anion) OH* Gốc hydroxyl (Hydroxyl radical) RhB Rhodamine B TEM Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscope) TiO2 Titan điôxit (Titanium dioxide) UV Tia cực t m (Ultraviolet) VB Vùng hóa trị (Valence band) VIS Ánh sáng nhìn thấy (Visible light) Fe2O3 Sắt (III) Ơxít (Iron (III) oxide) h ALD DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Nồng độ Fe k ch thước hạt Fe2O3 sau số chu trình ALD khác 29 Bảng 3.2 Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến bậc trình phân hủy RhB TiO2 TiO2/Fe2O3 với nồng độ Fe khác 33 Bảng 3.3 Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến bậc trình phân hủy RhB TiO2 TiO2/Fe2O3 có nồng độ Fe k ch thước hạt Fe2O3 khác 37 h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thế ơxy hóa – khử vị trí đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị số chất bán dẫn Hình 1.2 Sự dịch chuyển điện tử lỗ trống vùng tiếp giáp SnO2 TiO2 Hình 1.3 Sự dịch chuyển điện tử lỗ trống hệ vật liệu ZnO/P25 TiO2 Hình 1.4 Sự dịch chuyển điện tích TiO2 CdS tác dụng ánh sáng kích thích vùng nhìn thấy Hình 1.5 Cơ chế dịch chuyển điện tử TiO2 Fe2O3 Hình 1.6 Sự phân hủy dung dịch methylene xanh chất xúc tác TiO2/Fe2O3 với nồng độ Fe khác xử lý nhiệt độ khác nhau: (a) giảm nồng độ theo thời gian chiếu sáng h (b) đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy 10 Hình 1.7 Sự phân hủy dung dịch Orange II chất xúc tác TiO2/Fe2O3 với nồng độ Fe2O3 khác 11 Hình 1.8 Sự phụ thuộc vào nồng độ Fe hoạt tính xúc quang TiO2/Fe2O3 phân hủy axit 2,4-D 12 Hình 1.9 Mơ hình q trình lắng đọng Al2O3 phương pháp ALD sử dụng TMA H2O tiền chất 14 Hình 1.10 Ảnh TEM hạt nano TiO2 phủ lớp mỏng Al2O3 sử dụng phương pháp ALD 15 Hình 1.11 Ảnh TEM hạt nano Pt hạt nano TiO2 lắng đọng phương pháp ALD sau chu trình (a) 10 chu trình (b) 16 Hình 1.12 Ảnh TEM phân bố k ch thước hạt hạt nano Pt graphene lắng đọng nhiệt độ khác nhau: (a) 100 °C, (b) 200 °C (c) 250 °C 17 Hình 1.13 Ảnh TEM vật liệu Pd/graphene độ phóng đại khác Các vệt/chấm trắng đặc trưng cho vật liệu Pd Các đơn nguyên tử Pd quan sát rõ khoanh trịn hình (c) 18 Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả hệ thí nghiệm ALD dùng để lắng đọng hạt Fe2O3 bề mặt hạt nano TiO2 21 Hình 2.2 Sơ đồ mơ tả thứ tự xung tiền chất xung khí N2 chu trình ALD trình lắng đọng Fe2O3 sử dụng Fe(thd)3 H2O 22 Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả hệ thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác quang vậtliệu 24 Hình 2.4 Sơ đồ mơ tả bước tiến hành thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác quang vật liệu 25 Hình 3.1 Ảnh TEM hạt nano TiO2 sau trình ALD với số h chu kỳ (a), (b), (c) 12 (d) 27 Hình 3.2 Sự phân bố k ch thước hạt nano Fe2O3 28 Hình 3.4 Phổ hấp thụ UV-Vis RhB (a) đồ thị biểu diễn giảm nồng độ theo thời gian chiếu sáng (b) đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy tương ứng (c) 32 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn giảm nồng độ theo thời gian chiếu sáng (a) đồ thị động học tương ứng (b) phân hủy RhB TiO2 TiO/Fe2O3 với nồng độ Fe khác khoảng 0,7 – 2,1% 34 Hình 3.6 Ảnh TEM vật liệu TiO2/Fe2O3 có nồng độ Fe (0,7%) có đường kính trung bình hạt Fe2O3 khác nhau: 1,1 nm (a), 1,9 nm (b) 4,9 nm (c) 35 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn giảm nồng độ theo thời gian chiếu sáng (a) đồ thị động học tương ứng (b) phân hủy RhB TiO2 TiO/Fe2O3 có nồng độ Fe có k ch thước hạt Fe2O3 khác 36 Hình 3.8 Ảnh TEM vật liệu TiO2/Fe2O3 với nồng độ Fe 0,3% kích thước hạt Fe2O3 ~ 1,1 nm thu sau chu trình ALD 37 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn giảm nồng độ theo thời gian chiếu sáng (a) đồ thị động học tương ứng (b) phân hủy RhB TiO2 TiO/Fe2O3 có k ch thước hạt Fe2O3 có nồng độ Fe (mật độ hạt Fe2O3 bề mặt) khác 38 Hình 3.10 Mơ hình mơ tả q trình xảy phân hủy RhB TiO2/Fe2O3 tác dụng ánh sáng tử ngoại: q trình kích thích sinh cặp điện tử - lỗ trống (1), điện tử dịch chuyển từ TiO2 sang Fe2O3 (2) bị hấp thụ phân tử O2 tạo iơn O2 (3) Các lỗ trống vùng hóa trị khuếch tán bề mặt TiO2 (4) tham gia vào q trình ơxy hóa h nước tạo gốc OH* có hoạt tính ơxy hóa mạnh, có khả ơxy hóa phân tử hữu (5) 40