Vật liệu nano tio2 tổng hợp biến tính ag và ứng dụng

 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa …………………………………………………………………… i Lời cảm ơn .ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .7 MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN .10 1.1 Giới thiệu vật liệu nano TiO2 .10 1.1.1 Cấu trúc 10 1.1.2 Tính chất quang xúc tác TiO2 12 1.1.3 Hiện tượng siêu thấm ướt 17 1.2 Các phương pháp tổng hợp TiO2 có cấu trúc nano 21 1.2.1 Phương pháp cổ điển .21 1.2.2 Phương pháp tổng hợp lửa 21 1.2.3 Phân huỷ quặng illmenit 21 1.2.4 Phương pháp ngưng tụ hoá học 22 1.2.5 Sản xuất TiO2 phương pháp plasma 22 1.2.6 Phương pháp vi nhũ tương 22 1.2.7 Phương pháp sol-gel 23 1.2.8 Phương pháp thuỷ nhiệt 23 1.2.9 Phương pháp siêu âm 24 1.2.10 Phương pháp vi sóng .24 1.3 Biến tính vật liệu TiO2 25 1.4 Ứng dụng tính chất quang xúc tác siêu thấm ướt TiO 26 1.4.1 Vật liệu tự làm 26 1.4.2 Xử lý nước bị ô nhiễm .27  Phan Thị Kim Tuyến -1- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp 1.4.3 Xử lý khơng khí ô nhiễm 28 1.4.4 Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm 28 1.4.5 Tiêu diệt tế bào ung thư .28 1.4.6 Ứng dụng tính chất siêu thấm ướt 29 1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nano TiO2 số đề xuất 30 Chương THỰC NGHIỆM 33 2.1 Hóa chất dụng cụ .33 2.1.1 Hóa chất 33 2.1.2 Dụng cụ 33 2.2 Chế tạo vật liệu 34 2.2.1 Tổng hợp vật liệu nano TiO2 34 2.2.2 Tổng hợp TiO2 pha tạp bạc 34 2.3 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác bột TiO2 nano TiO2 pha tạp Ag 36 2.3.1 Ảnh hưởng tỉ lệ pha tạp Ag đến khả quang xúc tác bột TiO2 36 2.3.2 Ảnh hưởng thời gian lên khả quang xúc tác bột T-Ag5 tổng hợp 37 2.4 Ứng dụng hoạt tính quang xúc tác vật liệu xử lí nước thải .38 2.5 Các phương pháp đặc trưng vật liệu .41 2.5.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét – truyền qua (SEM-TEM) 41 2.5.2 Nguyên lý phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 41 2.5.3 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 42 2.5.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 43 2.5.5 Phương pháp phổ kích thích electron (UV - Vis) 43 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Đặc trưng, tính chất vật liệu .44 3.1.1 Vi cấu trúc .44 3.1.2 Diện tích bề mặt mẫu bột nano TiO2 tổng hợp 45 3.1.3 Phổ EDX vật liệu tổng hợp 46 3.1.4 Phổ UV-Vis rắn vật liệu 47  Phan Thị Kim Tuyến -2- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp 3.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ pha tạp Ag đến khả quang xúc tác bột TiO2 47 3.2.1 Xử lí metyl da cam đèn tử ngoại .48 3.2.2 Xử lí metyl da cam ánh sáng mặt trời .49 3.3 Ứng dụng hoạt tính quang xúc tác vật liệu xử lí nước thải .51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55  Phan Thị Kim Tuyến -3- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET Brunauer – Emmett – Teller (phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu rắn) DSC Differential Scanning Calorimetry (Nhiệt lượng vi sai quét) E Coli Chủng vi sinh vật Escherichia coli EDX Tán sắc lượng tia X PCA Plate Count Agar SEM Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) UV – VIS Ultraviolet – Visible (Tử ngoại khả kiến) XRD X – Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)  Phan Thị Kim Tuyến -4- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH STT Ký hiệu Nội dung Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể rutile 10 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể anatase 10 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể brookite 11 Hình 1.4 Đa diện phối trí TiO2 11 Hình 1.5 Giản đồ lượng anatase rutile 13 Hình 1.6  Sự hình thành gốc OH  O 13 Hình 1.7 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn 15 Hình 1.8 Hiện tượng thấm ướt 17 Hình 1.9 Hiện tượng siêu thấm ướt TiO2 kích thước nano 19 10 Hình 1.10 Kính phủ lớp TiO2 27 11 Khả chống đọng sương kính phủ lớp phim TiO2 Hình 1.11 (a) Tấm kính khơng phủ lớp nano TiO2 (b) Tấm kính có phủ lớp nano TiO2 30 12 Hình 2.1 Thiết bị thủy nhiệt 33 13 Hình 2.2 Bột TiO2 nano (a), bột TiO2- Ag theo tỉ lệ 1% (b), 2% (c), 3% (d), 4% (e), 5% (f) 35 14 Hình 2.3 Mẫu metyl da cam ban đầu (a) xử lí TiO2 nano (b), TiO2– Ag với tỉ lệ 1% (c), 2% (d), 3% (e), 4% (f), 5% (g) 36 15 Hình 2.4 Các mẫu metyl da cam ban đầu sau thời gian xử lí ánh sáng mặt trời (a): ban đầu, (b): 15phút, (c): 30 phút, (d): 45 phút, (e):60 phút 38 16 Hình 2.5 Quy trình định lượng tổng vi sinh vật hiếu khí 40  Phan Thị Kim Tuyến -5- Trang SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp Nguyên tắc chung phương pháp hiển vi điện 17 Hình 2.6 18 Hình 2.7 19 Hình 3.1 Ảnh SEM bột TiO2 chưa xử lí 44 20 Hình 3.2 Ảnh TEM bột nano TiO2 tổng hợp sấy 700C (a); ảnh SEM TiO2 với nhiệt độ nung 6000C (b) 44 21 Hình 3.3 22 Hình 3.4 23 Hình 3.5 24 Hình 3.6 25 Hình 3.7 26 Hình 3.8 27 Hình 3.9 28 mặt trời Hình 3.10 Cơ chế bẫy điện tử Ag pha tạp vào TiO2 29 Hình 3.11 30 Hình 3.12 Hình ảnh khuẩn lạc đĩa petri mẫu M4, M5 tử Sơ đồ nguyên lý hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDX TEM Ảnh SEM bột nano TiO2 pha tạp Ag % 41 41 45 (T-Ag5) Phổ EDX vật liệu TiO2 pha tạp Ag 5% 46 Phổ UV-Vis rắn mẫu pha tạp Ag từ nồng độ 1% đến 5% Phổ UV-Vis dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ đèn tử ngoại Độ chuyển hóa dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ đèn tử ngoại Phổ UV-Vis dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ ánh sáng mặt trời Độ chuyển hóa dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ ánh sáng 47 48 49 50 50 51 Hình ảnh khuẩn lạc đĩa petri mẫu M1, M2, M3 52 53 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU  Phan Thị Kim Tuyến -6- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp STT Ký hiệu Bảng 1.1 Một số thông số vật lý TiO2 dạng anatase rutile 11 Bảng 2.1 Điều kiện tổng hợp TiO2 pha tạp Ag với tỉ lệ khác 35 Bảng 3.1 Kết đo BET bột nanoTiO2 45 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố có phổ EDX 47 Bảng 3.3 Một số thơng tin metyl da cam 48 Bảng 3.4 Độ chuyển hóa dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ đèn tử ngoại 49 Bảng 3.5 Độ chuyển hóa dung dịch MO với mẫu pha tạp khác chiếu xạ ánh sáng mặt trời 50 Bảng 3.6 Kết xử lí vi sinh vật hiếu khí 53 Nội dung Trang MỞ ĐẦU Trong thập kỉ qua, khoa học công nghệ nano trào lưu nghiên cứu ứng dụng Nhiều hoạt động sôi lĩnh vực này, có lý thuyết, thực nghiệm ứng dụng thực tiễn Song, hoạt động phổ biến tổng hợp hạt nano với kích thước hình dạng khác Ở kích thước này, vật chất xuất tính chất lạ liên quan đến tính chất từ, tính chất quang, hoạt tính phản ứng bề mặt,… Những tính chất phụ thuộc vào kích thước hạt nano Chính điều thúc đẩy nhà nghiên cứu tìm  Phan Thị Kim Tuyến -7- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp tịi chế tạo vật liệu có ứng dụng thực tiễn to lớn lĩnh vực y dược, sinh học, mĩ phẩm, cơng nghiệp hố học,… Vật liệu có cấu trúc nano quan tâm kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, cacbon, Thơng thường có hai phương pháp để tạo hạt nano: top-down (từ xuống dưới), nghĩa chia nhỏ hệ thống lớn để cuối tạo đơn vị có kích thước nano; bottom-up (từ lên trên), nghĩa lắp ghép hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại để thu kích thước nano Từ hai đường này, tiến hành nhiều giải pháp cơng nghệ kỹ thuật để chế tạo vật liệu cấu trúc nano [1] Những nghiên cứu khoa học vật liệu nano TiO2 bắt đầu cách ba thập kỉ Gần đây, TiO sử dụng chất xúc tác quang để xử lý vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt loại bỏ chất độc hại nước thải Tuy nhiên, có xạ tử ngoại chiếm khoảng 5% xạ mặt trời, ứng với photon có lượng lớn 3,2 eV hấp thụ tạo hiệu quang hóa Do đó, hướng nghiên cứu để tăng khả quang hóa TiO2 vùng ánh sáng khả kiến phát triển mạnh mẽ để sử dụng có hiệu đặc tính quang hóa vật liệu Để tổng hợp vật liệu nano TiO2 có nhiều phương pháp khác như: solgel, vi sóng, thủy nhiệt, micelle,… Phương pháp thủy nhiệt đơn giản sử dụng rộng rãi để chế tạo TiO có cấu trúc ống nano với đường kính nhỏ, chiều dài lớn, diện tích bề mặt cao So với phương pháp khác, phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm Nhiều nghiên cứu Tsai C C cộng [2], Chen X cộng [3],… khẳng định phương pháp thủy nhiệt tổng hợp nano, dây nano, ống nano TiO2 anatase Việt Nam nước có trữ lượng titan sa khoáng lớn, lại nằm vùng nhiệt đới với thời lượng chiếu sáng hàng năm mặt trời cao nên tiềm ứng dụng vật liệu xúc tác quang lớn Mặc dù có nhiều kết quan trọng tổng hợp, biến tính ứng dụng vật liệu TiO có cấu trúc nano,  Phan Thị Kim Tuyến -8- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp nhiên, việc nghiên cứu vật liệu nano TiO2 vấn đề thời thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Với lý trên, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp, biến tính ứng dụng vật liệu nano TiO2” Trong đề tài này, tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Tổng hợp vật liệu nano TiO2 phương pháp thuỷ nhiệt; - Nghiên cứu biến tính vật liệu nano TiO2 cách pha tạp với bạc; - Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano TiO2 tổng hợp biến tính Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nano TiO2 [3, 4] 1.1.1 Cấu trúc Titandioxit (TiO2) chất bán dẫn, cấu trúc tinh thể gồm dạng: anatase, rutile brookite  Phan Thị Kim Tuyến -9- SP Hóa K30B  Khóa luận tốt nghiệp Rutile: trạng thái tinh thể bền TiO Rutile dạng bravais tứ phương với hình bát diện tiếp xúc đỉnh Rutile pha có độ xếp chặt cao so với hai pha cịn lại (hình 1.1) Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể rutile Anatase: Dạng có hoạt tính quang hóa mạnh pha Anatase dạng bravais tứ phương với hình bát diện tiếp xúc cạnh với trục tinh thể bị kéo dài Anatase thường có màu nâu sẫm, đơi có màu vàng xanh, có độ sáng bóng tinh thể kim loại Tuy nhiên lại dễ rỗ bề mặt, vết xước có màu trắng (hình 1.2) Ti O Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể anatase Brookite: Có hoạt tính quang hóa yếu, thường gặp nên đề cập nghiên cứu ứng dụng (hình 1.3)  Phan Thị Kim Tuyến -10K30B Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể brookite SP Hóa