(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hình thái, cấu trúc và tính chất xúc tác quang của vật liệu nano một chiều tio2 pha tạp cu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ LỆ TUYẾT NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU h NANO MỘT CHIỀU TiO2 PHA TẠP Cu TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Bình Định – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ LỆ TUYẾT NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU h NANO MỘT CHIỀU TiO2 PHA TẠP Cu TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 44 01 04 Người hướng 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 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 Nguyễn Thị Lệ Tuyết 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 hồn thành luận văn Trong suốt thời gian học tập thực luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ, giảng viên môn Vật lý - Khoa học vật liệu, khoa khoa học tự nhiên, 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 TS Bùi Văn Hào bạn học viên cao học lớp Vật lý chất rắn làm việc Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn mơn h Vật lý - Khoa học vật liệu - 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 quý thầy cô, anh chị bạn bè để luận văn hồn 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 Nguyễn Thị Lệ Tuyết 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 đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN h 1.1 Vật liệu quang xúc tác TiO2 1.1.1 Vật liệu quang xúc tác bán dẫn 1.1.2 Cấu trúc vật liệu TiO2 1.1.3 Cơ chế xúc tác quang vật liệu TiO2 1.2 Giới thiệu chung tính chất xúc tác quang vật liệu TiO2 Chương THỰC NGHIỆM 13 2.1 T ng hợp vật liệu nano chiều TiO2 pha tạp Cu (TiO2:Cu) phương pháp thủy nhiệt 13 2.1.1 Mô tả hệ thủy nhiệt 13 2.1.2 Mơ tả q trình thí nghiệm 14 2.2 Các phương pháp phân tích hình thái, cấu trúc vật liệu 16 2.2.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 16 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17 2.3 Khảo sát tính chất xúc tác quang vật liệu 17 2.3.1 Mơ tả hệ thí nghiệm 17 2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 18 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Hình thái vật liệu nano chiều TiO2:Cu t ng hợp phương pháp thủy nhiệt 21 3.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu nano chiều TiO2:Cu 30 3.3 Tính chất xúc tác quang vật liệu nano chiều TiO2:Cu 32 3.3.1 Tính chất xúc tác quang vật liệu nano,một chiều TiO2 không pha tạp 33 3.3.2 Tính chất xúc tác quang vật liệu nano chiều TiO2:Cu 37 KẾT LUẬN 44 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh Vùng dẫn Conduction Bands Eg Năng lượng vùng cấm Band gap energy O2- Ion gốc siêu oxit Superoxide ion radical OH* Gốc hydroxyl Hydroxyl radical RhB Rhodamine B Rhodamine B TiO2 Titan điơxit Titanium Dioxide UV Tia cực tím Ultraviolet UV-Vis Bức xạ tử ngoại - khả kiến Ultraviolet - Visible VB Vùng hóa trị Valence Bands XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X X-ray Diffraction Patterns 1D Cấu trúc chiều One-dimensional h CB nanostructures DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến bậc trình phân hủy RhB vật liệu nano chiều TiO2 36 Bảng Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến bậc trình phân hủy RhB TiO2:Cu với nồng độ pha tạp khác nung nhiệt độ khác 41 h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Vị trí mức biên vùng lượng oxi hóa – khử số chất bán dẫn Hình Ba dạng cấu trúc tinh thể ph biến TiO2: anatase (a), rutile(b), brookite (c) Hình Các trình xảy bề mặt TiO2 tác dụng ánh sáng tử ngoại Hình Sự dịch chuyển điện tích TiO2 hạt nano bạc Hình Cơ chế dịch chuyển điện tích Cu2O TiO2 dẫn đến tăng cường hoạt tính xúc tác quang vật liệu 10 Hình Quá trình hấp thụ photon sinh cặp điện tử vật liệu TiO2 tinh khiết (trái) vật liệu TiO2 pha tạp nguyên tố kim loại M 11 Hình Hệ thủy nhiệt……………………………………………… 13 h Hình 2 Quy trình chế tạo vật liệu nano TiO2 pha tạp Cu phương pháp thủy nhiệt 16 Hình Sơ đồ mơ tả hệ thí nghiệm xúc tác quang 18 Hình Sơ đồ mơ tả bước tiến hành thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác quang vật liệu 19 Hình Ảnh SEM vật liệu nano chiều TiO2 t ng hợp phương pháp thủy nhiệt độ phóng đại khác nhau……………………… 21 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2 chưa pha tạp (a) pha tạp Cu với nồng độ khác nhau: 0,2% (b), 0,5% (c), 1% (d), 5% (e) 10% (f) 23 Hình 3 Ảnh SEM vật liệu TiO2 pha tạp Fe với nồng độ khác nhau: 0,2% (a&b), 0,5% (c&d) 1% (e&f) 24 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2 pha tạp Fe với nồng độ khác nhau: 2% (a&b) 5% (c&d) 25 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2 chưa nung nhiệt (a) sau nung môi trường khơng khí nhiệt độ khác nhau: 300 ℃ (b), 500 ℃ (c) 700 ℃ (d) 26 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2:Cu với nồng độ pha tạp 0,2% chưa nung nhiệt (a) sau nung mơi trường khơng khí nhiệt độ khác nhau: 300 ℃ (b), 500 ℃ (c) 700 ℃ (d) 27 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2:Cu với nồng độ pha tạp 0,5% chưa nung nhiệt (a) sau nung môi trường khơng khí nhiệt độ khác nhau: 300 ℃ (b), 500 ℃ (c) 700 ℃ (d) 28 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2:Cu với nồng độ pha tạp 1% chưa nung nhiệt (a) sau nung mơi trường khơng khí nhiệt độ khác nhau: 300 ℃ (b), 500 ℃ (c) 700 ℃ (d) 29 Hình Ảnh SEM vật liệu TiO2:Cu với nồng độ pha tạp 5% chưa h nung nhiệt (a) sau nung mơi trường khơng khí nhiệt độ khác nhau: 300 ℃ (b), 500 ℃ (c) 700 ℃ (d) 30 Hình 10 Ph nhiễu xạ tia X vật liệu TiO2 sau t ng hợp (a) vật liệu nung nhiệt độ khác nhau: 300 °C (b), 500 °C (c) 700 °C (d) 31 Hình 11 Ph nhiễu xạ tia X vật liệu TiO2 (a) TiO2 pha tạp Cu với nồng độ 0,5% (b) 1% (c) sau nung nhiệt độ 700 °C 32 Hình 12 Ph hấp thụ UV-Vis mô tả suy giảm nồng độ dung dịch RhB chất xúc tác tác dụng ánh sáng tử ngoại: TiO2 thương mại (a), TiO2 sau t ng hợp (b) sau nung 300 °C (c), 500 °C (d) 700 °C (e) Hình (f) mơ tả thay đ i nồng độ dung dịch RhB theo thời gian chiếu sáng thu từ ph UV-Vis tương ứng 34 Hình 13 Đồ thị biểu diễn động học trình phân hủy phân tử RhB theo thời gian chiếu sáng (a) chất xúc tác TiO2 thương mại TiO2