(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite g c3n4 sno2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ DIỆU LAN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/SnO2 h Chun ngành : Hóa vơ Mã số : 8440113 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THỊ VIỆT NGA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Thị Việt Nga Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu h LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Việt Nga, người tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Kim thầy cô giáo, anh, chị, bạn phịng thực hành thí nghiệm hóa học- Khu A6- Trường Đại học Quy Nhơn, giúp đỡ, tạo điều kiện, hỗ trợ tơi q trình thực đề tài Cuối cùng, tơi xin cảm ơn 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 góp ý q thầy để luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! h hồn thiện hơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Cấu trúc luận văn h CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1.1.1 Khái niệm xúc tác quang 1.1.2 Cơ chế phản ứng quang xúc tác 1.1.3 Tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang 1.2 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU g-C3N4 11 1.2.1 Cấu trúc tinh thể 11 1.2.2 Phương pháp tổng hợp tiềm ứng dụng lĩnh vực xúc tác quang g-C3N4 12 1.3 GIỚI THIỆU VỀ TIN (IV) OXIDE SnO2 17 1.3.1 Cấu trúc SnO2 17 1.3.2 Phương pháp tổng hợp, ứng dụng SnO2 SnO2 biến tính lĩnh vực xúc tác quang 19 1.4 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/SnO2 23 1.5 GIỚI THIỆU VỀ METHYLENEBLUE 26 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 27 2.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC 27 2.1.1 Hóa chất 27 2.1.2 Dụng cụ 27 2.1.3 Tổng hợp vật liệu 28 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 29 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray Diffraction, XRD) 29 2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) 30 2.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy, IR) 31 2.2.4 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS) 33 2.2.5 Phổ tán xạ lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX hay EDS) 36 h 2.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP 38 2.3.1 Khảo sát thời gian cân hấp phụ 38 2.3.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu 39 2.3.3 Phân tích định lượng MB 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 42 3.1.1 Đặc trưng vật liệu g-C3N4 42 3.1.2 Đặc trưng vật liệu SnO2 44 3.1.3 Đặc trưng vật liệu composite g-C3N4/SnO2 48 3.2 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU 55 3.2.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 55 3.2.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang 56 3.3 Khảo sát yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới trình quang xúc tác vật liệu g-C3N4/SnO2 59 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu dung dịch MB 59 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ nguồn sáng 60 3.3.3 Ảnh hưởng pH dung dịch 61 3.4 Khảo sát chế phản ứng xúc tác quang 64 KẾT LUẬN 69 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Nồng độ (mg/L) g : gam L : lít mg : miligam nm : nanomet λ : Bước sóng (nm) d : Kích thước tinh thể trung bình CB : Conduction band (Vùng dẫn) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lượng vùng cấm) EDS : Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán xạ lượng tia h 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) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thế oxi hóa chất oxi hóa điển hình Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng 27 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố mẫu SnO2 47 Bảng 3.3 Thành phần nguyên tố C, N, O, Sn mẫu vật liệu gC3N4/SnO2 53 Bảng 3.4 Hằng số tốc độ vật liệu SnO2, g-C3N4 g-C3N4/SnO2 tỉ lệ 58 Bảng 3.5 Sự thay đổi giá trị ΔpHi theo pHi 63 h DANH MỤC HÌNH Hình 1.1.Vùng lượng chất dẫn điện, chất bán dẫn, chất cách điện Hình 1.2 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang vật liệu biến tính 11 Hình 1.4 (a) Cấu trúc lớp hai chiều xếp chồng lên g-C3N4,Cấu trúc (b) triazine (c) tri-s-triazine (C: màu xám N: màu xanh) 12 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa trình tổng hợp g-C3N4 phản ứng ngưng tụ nhiệt tiền chất khác melamine, cyanamide, dicyandiamide, urea, thiourea 13 Hình 1.6 Sơ đồ tổng hợp g-C3N4 từ cyanamide 14 Hình 1.7 Thế khử chuẩn chất pH = 15 Hình 1.8 (a) Cấu trúc đơn vị tinh thể SnO2 ; (b) Mơ hình 3D h SnO2 18 Hình Các bề mặt có số Miller thấp SnO2: (a) (110); (b) (100); (c) (101); (d) (001) 18 Hình 1.10 Cơ chế xúc tác quang vật liệu biến tính SnO2/g-C3N4 24 Hình 2.1 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 30 Hình 2.2 Sơ đồ ngun lý kính hiển vi điện tử quét 31 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí phổ EDX 37 Hình 2.4 Phổ quét UV-Vis dung dịch MB 41 Hình 2.5 Sự phụ thuộc cường độ hấp thụ UV-Vis dung dịch MB bước sóng 663 nm theo nồng độ 41 Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu g-C3N4 42 Hình 3.2 Phổ IR mẫu vật liệu g-C3N4 43 Hình 3.3 Phổ UV-Vis DRS (hình lớn) lượng vùng cấm (hình nhỏ) mẫu vật liệu g-C3N4 43 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu SnO2 44 Hình 3.5 Phổ IR mẫu vật liệu SnO2 45 Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu vật liệu SnO2 46 Hình 3.7 Phổ tán xạ lượng tia X mẫu vật liệu SnO2 46 Hình 3.8 Phổ UV-Vis DRS (hình lớn) lượng vùng cấm (hình nhỏ) mẫu vật liệu SnO2 47 Hình 3.9 Màu g-C3N4 (A), SnO2 (B) g-C3N4/SnO2 (C) 48 Hình 3.10 (A)-Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu g-C3N4, SnO2 composite g-C3N4/SnO2, 49 Hình 3.11 Phổ hồng ngoại mẫu vật liệu g-C3N4, SnO2 gC3N4/SnO2 51 Hình 3.12 Ảnh SEM mẫu vật liệu composite g-C3N4/SnO2 (A) SnO2 (B) 52 h Hình 3.13 Phổ tán xạ lượng tia X (EDX) mẫu vật liệu g-C3N4, SnO2 composite g-C3N4/SnO2 52 Hình 3.14 Sự phân bố nguyên tố vật liệu composite gC3N4/SnO2 kĩ thuật mapping 53 Hình 3.15 Phổ UV-Vis DRS (hình lớn) lượng vùng cấm (hình nhỏ) mẫu vật liệu g-C3N4/SnO2 54 Hình 3.16 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ - giải hấp phụ vật liệu dung dịch MB 55 Hình 3.17 Đồ thị phụ thuộc C/C0 dung dịch MB theo thời gian chiếu sáng mẫu khơng có xúc tác, SnO2, g-C3N4 composite gC3N4/SnO2-1:1, g-C3N4/SnO2-1:2, g-C3N4/SnO2-2:1 56 Hình 3.18 Sự phụ thuộc giá trị ln(C0/C) vào thời gian t (giờ) theo mơ hình Langmuir – Hinshelwood mẫu SnO2, g-C3N4 composite g-C3N4/SnO2-1:1, g-C3N4/SnO2-1:2, g-C3N4/SnO2-2:1 58