(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp và biến tính vật liệu gan zno ứng dụng làm chất xúc tác quang xử lý các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN VĂN PHONG TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU GaN-ZnO ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG XỬ LÝ h CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ GÂY Ô NHIỄM MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành : Hóa vơ Mã số : 8440113 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Văn Kim PGS.TS Nguyễn Thị Việt Nga LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Kim PGS.TS Nguyễn Thị Việt Nga Các số liệu, kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa cơng bố dƣới hình thức Tôi 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 PGS.TS Nguyễn Thị Việt Nga tận tình giúp đỡ hƣớng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô 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 Lãnh đạo trƣờng Quốc Học Quy Nhơn, gia đình bạn bè ln động viên, khích lệ tinh thần thời gian thực luận văn Mặc dù cố gắng nhiên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc góp ý q thầy để luận Tơi xin chân thành cảm ơn! h văn đƣợc hồn thiện hơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ 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 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1.1.1 Khái niệm xúc tác quang chế phản ứng xúc tác quang 1.1.2 Tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ DUNG DỊCH RẮN GaN-ZnO, g-C3N4 VÀ VẬT LIỆU BIẾN TÍNH 1.2.1 Dung dịch rắn GaN-ZnO vật liệu biến tính 1.2.2 g-C3N4 vật liệu biến tính 12 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18 2.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC 18 2.1.1 Hóa chất 18 2.1.2 Dụng cụ 18 2.1.3 Tổng hợp vật liệu 19 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU 20 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 20 2.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 22 2.2.3 Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-VisDRS) 22 2.2.4 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) 25 2.2.5 Phƣơng pháp phổ tán sắc lƣợng tia X (Energy Dispersive Xray) 26 2.2.6 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 28 2.2.7 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29 2.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP 30 2.3.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 30 h 2.3.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu 31 2.3.3 Phân tích định lƣợng xanh metylen 32 2.3.3.1 Nguyên tắc 32 2.3.3.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen 33 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU 34 3.1.1 Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 34 3.1.2 Đặc trƣng vật liệu GaN-ZnO 36 3.1.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36 3.1.2.2 Phổ hồng ngoại (IR) 38 3.1.2.3 Phương pháp phổ EDX 39 3.1.2.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis trạng thái rắn) 40 3.1.3 Đặc trƣng vật liệu composit g-C3N4/GaN-ZnO 41 3.1.3.1 Nhiễu xạ tia X 41 3.1.3.2 Phổ hồng ngoại IR 43 3.1.3.3 Đặc trưng ảnh SEM 44 3.1.3.4 Phổ tán xạ lượng tia X 45 3.1.3.5 Đặc trưng XPS 46 3.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP 48 3.2.1 Xác định thời gian đạt cân hấp phụ 48 3.2.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu composit g-C3N4/GaN– ZnO 49 3.2.3 Khảo sát yếu tố thực nghiệm ảnh hƣởng tới trình quang xúc tác vật liệu g-C3N4/GaN-ZnO 50 3.2.3.1 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB 51 h 3.2.3.2 Ảnh hưởng cường độ nguồn sáng 52 3.2.3.3 Ảnh hưởng pH dung dịch 53 3.2.3.4 Ảnh hưởng chất bắt gốc tự (quencher) đến trình phân hủy MB 55 KẾT LUẬN 59 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 60 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU C : Nồng độ (mg/L) g : gam L : lít mg : miligam nm : nanomet λ : Bƣớc sóng (nm) D : Kích thƣớc hạt trung bình CN : g-C3N4 tổng hợp từ melamin phƣơng pháp nung GZ : Dung dịch rắn GaN-ZnO GZ-800 : Dung dịch rắn GaN-ZnO đƣợc tổng hợp nhiệt độ 800 oC h theo tỉ lệ mol Ga/Zn = 1:1 GZ-850 : Dung dịch rắn GaN-ZnO đƣợc tổng hợp nhiệt độ 850 oC theo tỉ lệ mol Ga/Zn = 1:1 GZ-900 : Dung dịch rắn GaN-ZnO đƣợc tổng hợp nhiệt độ 900 oC theo tỉ lệ mol Ga/Zn = 1:1 x%.CN/GZ : Vật liệu composit g-C3N4/GaN-ZnO đƣợc tổng hợp phƣơng pháp thủy nhiệt từ GaN-ZnO (nitrua hóa từ hỗn hợp Ga2O3 ZnO nhiệt độ 850 oC melamin theo tỉ lệ mol Ga/Zn = 1:1) g-C3N4 (đƣợc tổng hợp từ việc nung melamin 500–520 oC) với hàm lƣợng x% g-C3N4 khác (x = 5, 7, 10) CÁC CHỮ VIẾT TẮT CB : Conduction band (Vùng dẫn) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm) EDX : Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán sắc 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) XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X - Nhiễu xạ tia Rơnghen) h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Tên hình vẽ, đồ thị hình vẽ, Trang đồ thị 1.1 1.2 1.3 1.4 Sự phân bố vùng hóa trị (VB) vùng dẫn (CB) chất cách điện, chất bán dẫn chất dẫn điện Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể Cấu trúc mạng tinh thể ZnO GaN dung dịch rắn GaN–ZnO Màu ZnO, GaN dung dịch rắn GaN–ZnO 10 Mức độ phân tách nƣớc thành H2 O2 vật liệu Rh21.5 yCryO3/GaN–ZnO phản ứng quang xúc tác vùng ánh sáng khả 1.7 1.8 11 h kiến 1.6 pha trộn SiO2 kích thƣớc khác Ảnh hƣởng nhiệt độ nitrua hóa đến việc kiểm sốt lƣợng ZnO bề mặt dung dịch rắn Sơ đồ minh họa hình thành polyme g-C3N4 tổng hợp từ tiền chất khác Triazine (trái) mơ hình kết nối tri-s-triazine (phải) dạng thù hình g-C3N4 11 13 13 A – Cơ chế quang xúc tác vật liệu biến tính SnO2/g1.9 C3N4; B – Sơ đồ dị hƣớng chuyển electron 15 composit g-C3N4/NiFe2O4 Một số cơng trình tiêu biểu vật liệu lai g-C3N4 1.10 đƣợc tổng hợp hoạt tính quang xúc tác ứng dụng lĩnh vực lƣợng môi trƣờng 15 2.1 Thuyền sứ chứa mẫu lò nung ống ngang 19 2.2 Sơ đồ biểu diễn nhiễu xạ tia X (XRD) 21 2.3 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 22 2.4 Sơ đồ nguyên lý phổ EDX 27 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 hiệu ứng quang điện Phổ UV-Vis dung dịch MB Sự phụ thuộc cƣờng độ hấp thụ UV-Vis dung dịch MB bƣớc sóng 663 nm theo nồng độ Các kết đặc trƣng vật liệu g-C3N4 tổng hợp từ melamin Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu GZ-T (T = 800 , 850, 900) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu GZ-850, GaN, ZnO góc 2θ từ 20-70o (A) 2θ từ 30-38o (B) h 3.3 Sơ đồ nguyên lý phổ XPS đƣợc dựa lý thuyết 29 33 33 34 36 38 3.4 Phổ IR mẫu GZ-850 39 3.5 Phổ EDX mẫu GZ-850 40 3.6 3.7 Phổ UV–Vis trạng thái rắn (A) lƣợng vùng cấm (B) mẫu GZ-850 Sơ đồ minh họa giải thích lƣợng vùng cấm GaN, ZnO GaN–ZnO 41 42 3.8 Giản đồ XRD CN, GZ mẫu x%.CN/GZ 43 3.9 Phổ IR CN, GZ mẫu x%.CN/GZ 44 3.10 Ảnh SEM mẫu GZ mẫu x%.CN/GZ 45 3.11 Phổ EDS mẫu GZ mẫu x%.CN/GZ 46 3.12 Phổ XPS mẫu 7%.CN/GZ 47 3.13 Đồ thị biểu diễn thay đổi dung lƣợng hấp phụ theo 48