(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo và ứng dụng phân hủy xúc tác quang của vật liệu c zno

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHẠM HỮU MINH QUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG h PHÂN HỦY XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU C/ZnO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHẠM HỮU MINH QUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG h PHÂN HỦY XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU C/ZnO Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN MINH VƯƠNG 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: PGS.TS Nguyễn Minh Vương trường Đại học Quy Nhơn Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực không chép từ công bố tác giả khác Tác giả luận văn Phạm Hữu Minh Quân h LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, chân thành cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Vương, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức lý thuyết, phân tích tổng quan báo khoa học ngồi nước có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, đồng thời dẫn tận tay 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 cán quản lý, giảng viên Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, hết lịng tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành mơn học chương trình đào tạo hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới bạn học viên nhóm làm luận văn hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Vương bạn h học viên lớp cao học Vật lý chất rắn K22 Trong suốt thời gian làm việc Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ hiểu biết kinh nghiệm để hoàn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tất người thân chia sẻ giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Rất mong góp ý, bảo q thầy/cơ để luận văn hoàn thiện tốt Xin chúc quý thầy sức khỏe, hạnh phúc thành đạt Bình Định, tháng 11 năm 2021 Tác giả luận văn Phạm Hữu Minh Quân MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: h NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu ZnO 1.1.1 Chế tạo nano ZnO cách sử dụng hỗn hợp lớp hạt hạt nano ZnO Polyme Chitosan 1.1.2 Chế tạo ống nano ZnO phương pháp hóa học ướt nhiệt độ thấp 1.2 Một số ứng dụng vật liệu ZnO 10 1.2.1 Pin mặt trời 10 1.2.2 Diode phát quang 12 1.2.3 Cảm biến khí 13 1.2.4 Màng dẫn điện suốt 14 1.3 Tính chất xúc tác quang vật liệu ZnO ZnO pha tạp 16 1.3.1 Chế thạo nano ZnO pha tạp C để phân hủy quang xúc tác axit p-aminobenzoic ánh sáng mặt trời phương pháp kết tủa 16 1.3.2 Chế tạo vật liệu nano ZnO pha tạp cacbon nâng cao hiệu suất xúc tác quang phân hủy vật liệu hữu phương pháp xử lý nhiệt bước 18 1.3.3 Chế tạo nano ZnO pha tạp cacbon phương pháp thủy nhiệt phân hủy chất hữu Malachite green MG ánh sáng khả kiến 19 1.4 Cơ chế quang xúc tác vật liệu ZnO 21 h CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Quy trình chế tạo C/ZnO 24 2.2 Quy trình khảo sát hiệu ứng xúc tác quang 27 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 29 2.3.1 Phép đo nhiễu xạ tia X 29 2.3.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét 29 2.3.3 Phương pháp quang phổ tia X phân tán lượng 29 2.3.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến 30 2.3.5 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 30 2.3.6 Phương pháp phổ huỳnh quang 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Tính chất hình thái cấu trúc vật liệu 31 3.1.1 Kết ảnh quang học SEM 31 3.1.2 Kết phân tích phổ EDS 34 3.1.3 Kết XRD 35 3.2 Tính chất Quang vật liệu 37 3.2.1 Kết đo phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis 37 3.2.2 Kết đo phổ huỳnh quang 39 3.3 Cơ chế hình thành vật liệu C/ZnO 40 3.4 Khả hấp phụ MB 41 3.5 Hoạt tính xúc tác quang 42 3.6 Cơ chế xúc tác quang 46 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT: Chữ Cụm từ tiếng anh Nghĩa tiếng việt viết tắt scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Tia tử ngoại UV-Vis Ultraviolet - visible Tia tử ngoại – ánh sáng khả kiến XRD X- ray diffractinon Phổ nhiễu xạ tia X PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang CB Conduction Bands Vùng dẫn VB Valence band Vùng hóa trị Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm O2- Superoxide ion radical Ion gốc siêu oxit OH* Hydroxyl radical Gốc hydroxyl MB Methylene blue Xanh mê ty len ZnO Zinc oxide Oxit kẽm h SEM HR TEM High-resolution Transmission EDX Kính hiển vi điện tử truyền qua Electron Microscopy có độ phân giải cao Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng spectroscopy TEM transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy UV-Vis Ultraviolet-Visible Diffuse DRS Reflectance Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ h Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc ZnO Hình 1.2 Mơ hình cấu trúc Wurtzite ZnO Hình 1.3 Phổ XRD nano ZnO chế tạo phương pháp dung dịch sử dụng mầm hạt nano ZnO chitosan với lượng hạt nano ZnO khác Hình 1.4 Hình ảnh FESEM nano ZnO chế tạo phương pháp dung dịch sử dụng chitosan với lượng hạt nano ZnO khác Hình 1.5 Hình ảnh HRTEM nano ZnO chế tạo sử dụng mầm ZnO có dung dịch chitosan Hình 1.6 Mẫu XRD ống nano ZnO điều chế nhiệt độ thấp Hình 1.7 Ảnh FESEM; TEM ; SAED ; HRTEM ống nano ZnO Hình 1.8 Mơ hình dự kiến hợp chất nano ZnO-CdSe 11 Hình 1.9 Phổ truyền qua màng ZnO ZnO:M2CO3 ,màng phủ đế thạch anh 13 Hình 1.10 Mơ hình cảm biến khí kênh đơi lai Graphene/ZnO đế SiO2 14 Hình1.11 Các trình xảy bề mặt vật liệu ZnO tác dụng ánh sáng xúc tác 23 Hình 2.1 Một số hình ảnh bột ZnO thương mại (trái) q trình khuấy ZnO mơi trường axit (giữa phải)…… …………………24 Hình 2.2 Hình ảnh dụng cụ, thiết bị hỗ trợ tách ZnO khỏi dung dịch axit 25 Hình Một số dụng cụ, thiết bị nung vật liệu ZnO môi trường Nitơ 26 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu C/ZnO 27 Hình 2.5 Một số hình ảnh dụng cụ, thiết bị hỗ trợ khảo sát tính chất xúc tác quang vật liệu 28 Hình 3.1 Ảnh quang học mẫu S0 (a), S025 (b), S05 (c), S1 (d) S2 (e)…………………………………………………………………31 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu S0 với độ phóng đại khác x40k (a) x150k (b) 32 Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu S025 (a&b), S05 (c&d), S1(e&f) S2 (g&h) với độ phóng đại khác 40k (trái) 150k (phải) 33 h Hình 3.4 Phổ EDS mẫu S0 (ZnO thương mại) 34 Hình 3.5 Kết đo phổ EDS mẫu S025 (a), S05 (b), S1 (c) S2 (c) 35 Hình 3.6 Phổ XRD mẫu S0, S025, S1 S2 36 Hình 3.7 (a) Phổ phản xạ khuếch tán (b) Đồ thị mô tả phụ thuộc [F(R)*hν]2 theo lượng photon [hν] tương ứng mẫu S0, S025, S05, S1 S2 38 Hình Phổ huỳnh quang mẫu S0, S025, S05, S1 S2 39 Hình 3.9 Mơ chế hình thành cấu trúc nano composite C/ZnO 40 Hình 3.10 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis MB sau thời gian khuấy 30 phút bóng tối trường hợp có khơng có vật liệu xúc tác S0, S025, S05, S1 S2; (b) Khả hấp phụ MB mẫu S0, S025, S05, S1 S2 41 Hình 3.11 Phổ hấp thụ UV-Vis mơ tả suy giảm nồng độ dung dịch MB chất xúc tác tác dụng tia tử ngoại UV 365 nm: khơng có chất xúc tác (a), S0 (b), S025 (c), S05 (d), S1 (e) S2 (f) 43 Hình 3.12 (a) Sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV thu từ phổ UV-Vis (b) Đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy MB theo thời gian 45 Hình 3.13 Phổ hấp thụ UV-Vis mơ tả suy giảm nồng độ dung dịch MB sử dụng chất xúc tác S0 (a) S05 (b) ánh sáng nhìn thấy; Sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ thu từ phổ UV-Vis (c) Đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy MB theo thời gian tương ứng (d) 46 Hình 14 Cơ chế đề xuất cho tăng hoạt tính xúc tác quang cấu trúc C/ZnO 48 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Ngày nay, song song với tốc độ phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp mức độ ô nhiễm mơi trường ngày nghiêm trọng, nhiễm khơng khí [1], ô nhiễm nguồn nước [2] Các nhà máy công nghiệp gây nên ô nhiễm nguồn nước nặng nề việc xả nước thải vào sơng, khí thải từ động đốt nhiên liệu từ nhà máy thải làm nhiễm khơng khí, ảnh hưởng lớn đến chất lượng nguồn nước bầu khí [1, 2] Điều ảnh hưởng trực tiếp sức khỏe người, đời sống ngày ảnh hưởng hệ sinh thái Đây vấn đề khó khăn cho nhà khoa học nhà quản lý môi trường Cho đến nay, phương pháp xử lý chất thải công nghiệp sử dụng phương pháp đông tụ [3], thiêu kết, phân hủy sinh học, hấp phụ than h hoạt tính, phương pháp oxi hóa [4] Trong đó, phương pháp phân hủy sinh học áp dụng rộng rãi quy mơ lớn Tuy nhiên, điều kiện yếm khí, số chất bị khử thành sản phẩm phụ amin thơm độc hại [5] Gần đây, phương pháp oxy hóa tiên tiến – phương pháp mới, có triển vọng phát triển để xử lí nước thải công nghiệp Phương pháp thường sử dụng chất xúc tác chất bán dẫn, điều kiện chiếu sáng, tạo gốc O2- OH*, gốc có khả oxi hóa mạnh, phân hủy hầu hết chất hữu độc hại [6-9] Các chất bán dẫn oxit kim loại TiO2, ZnO, SnO2, WO2, CeO2, có nhiều tự nhiên, sử dụng rộng rãi chất xúc tác quang hóa, đặc biệt chất xúc tác quang cho trình dị thể Trong số đó, ZnO đánh giá chất xúc tác có nhiều triển vọng việc phân hủy chất màu hữu khử trùng nước Khả xúc tác quang hóa ZnO cao so với TiO2 số oxit bán dẫn