Thông tin tài liệu
BỘ CƠNG THƯƠNG _ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH BAO CAO TONG KET DE TAI KHOA HOC KET QUÁ THỰC HIỆN ĐÈ TÀI _ NGHIÊN CỨU KHOA HQC CAP TRUONG Tên đề tài: Tổng hợp, đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu nano sở ZnO Mã số dễ tài: 21.2CNHH03 Chủ nhiệm đề tài: TS Lưu Thị Việt Hà Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Hóa học Tp Hỗ Chí Minh, tháng năm 2023 LOI CAM ON Dé tai thực nhóm nghiên cứu khoảng thời gian năm Khoa Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hỗ Chí Minh Với nỗ lực học tập, nghiên cứu nhóm hỗ trợ từ tổ chức, cá nhân †rong trường đến để tài hoàn thành tốt nhiệm vụ đặt Trước tiên, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới Lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Hóa học phụ trách phịng thí nghiệm ủng hộ lớn tỉnh thần trang thiết bị cần thiết phục vụ cho nghiên cứu Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Khoa, bạn bè anh chị từ Viện Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hỗ trợ chuyên môn, học thuật, đạc mẫu truyền đạt kinh nghiệm quý báu công bế khoa học Đặc biệt, nhóm nghiên cứu xin trân trọng cám ơn nhà Trường xét duyệt hỗ trợ mặt kinh phí để dự án có hội thực hóa hồn thành mục tiêu để Mặc dù nhóm nghiên cứu cố gắng để hoàn thành dự án cách hoàn chỉnh nhất, song có lẽ khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, nhóm nghiên cứu mong muốn nhận góp ý, hỗ trợ từ hội đồng khoa học, chuyên gia, người quan tâm đến đẻ tài đồng nghiệp để dự án hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hơ Chí Minh, tháng năm 2023 Nhóm tác giả PHAN I THONG TIN CHUNG L Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Tổng hợp, đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu nano sở ZnO 1.2 Mã số: 21.2CNHH03 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề TT | Họ tên (học vị, chức danh) ] | TS Lưu Thị Việt Hà | TS Nguyên Thị Mai Thơ | TS Trân Thảo Quỳnh Ngân tài Đơn vị công tác Vai trị thực đề tài Khoa Cơng nghệ Hóa học |_ Chủ nhiệm dé tai Khoa Cơng nghệ Hóa học Thành viên nghiên cứu Khoa Cơng nghệ Hóa học Thành viên nghiên cứu 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ 24 tháng 03 năm 2022 đến tháng năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 09 năm 2023 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2022 đến tháng 08 năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết ban đầu (nếu có): Khơng 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặtvấn đề Ngày vấn đề nhiễm nước thuốc nhuộm cịn sót lại từ nguồn khác (ngành đệt may, ngành công nghiệp giấy bột giấy, ngành công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm thuốc nhuộm, v.v.), nhiều loại chất ô nhiễm hữu khó phân hủy dưa vào nguồn nước tự nhiên hệ thống xử lý nước thải Trên thực tế, chúng có độc tính cao nguy hiểm cho thể sống, đó, việc loại bỏ chất bẩn hữu trước thải vào môi trường diều cần thiết Nhiều kỹ thuật sử dụng dé phân hủy chất hữu gây nhiễm, cơng nghệ xử lí nước tiên tiền liên quan đến xúc tác quang hóa oxit kẽm (ZnO) dường công nghệ hứa hẹn Trong năm gân đây, chất quang xúc tác ZnO dược quan tâm nhiều tính chất ưu việt chúng Việc nâng cao hiệu suất lượng tử ZnO phản ứng xúc tác quang dị thê ánh sáng UV, ánh sáng nhìn thay va anh sáng mặt trời đầy mạnh nghiên cứu điều địi hỏi kiến trúc phù hợp dé giảm thiểu mắt điện tử trạng thái kích thích cực dại hấp thụ photon Một phương pháp hiệu gần dựơc nhà khoa học nghiên cứu thực phương pháp pha tap (doping), ví dụ pha tạp kim loại, pha tạp phi kim hay đồng pha tạp kim loại phi kim Trong phương pháp pha tạp báo cáo cho thấy thuộc tính pha tạp chủ yếu phụ thuộc vào chất phương pháp chuẩn bị vai trò hàm lượng chất pha tạp tối ưu kết hợp vào chất xúc tác quang ZnO Do đó, dé tai tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp kim loại (Ta) pha tap phi kim (C) phương pháp thủy nhiệt với nhiệt độ thủy nhiệt hàm lượng C pha tạp khác nhau, sau nghiên cứu đặc trưng tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất quang nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác chúng ánh sáng nhìn thấy việc phân hủy chất hữu gây nhiễm Cuối cùng, vai trị “miếng” oxi hóa cúa q trình quang xúc tác nghiên cứu, từ đề xuất chế phản ứng phân hủy chất hữu Mục tiêu a4) Mục tiêu tổng quát Tổng hợp vật liệu nano sở ZnO, nghiên cứu đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu tông hợp b) Mục tiêu cụ thể - Tổng hợp vật liệu nano Ta/ZnO điều kiện khảo sát khác nhau: nhiệt độ, hàm lượng Ta pha tạp - Tổng hợp vật liệu, C/ZnO với tỉ lệ C pha tạp khác -_ Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang vật liệu Ta/ZnO C/ZnO phương pháp hóa lí đại như: XRD, FT-IR, UVVIS, PL, SEM - Nehién citu tinh chất quang wic tac eta vat ligu Ta/ZnO, C/ZnO thong qua phan tng phân hủy chất màu hữu nước ánh sáng nhìn thấy Phuong pháp nghiên cúu: a Tổng hợp vật liệu: Vật liệu tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt - Tổng hợp vật liệu Ta/ZnO: tiền chất muối kẽm axeltat - Zn(CH3COO), mudi TaCls, dung môi ctanol nước, môi trường bazơ -_ Tổng hợp vật liệu C/ZnO: tién chất muối kẽm axetat - Zn(CHsCOO3s, polyvinyl ancol, dung môi eftanol nước, môi trường bazơ b Phương pháp nghiên cứu: Các đặc trưng tính chất vật liệu nghiên cứu phương pháp Hóa lý như: XRD, FT-IR, UV-VIS, PL SEM, XPS c Danh gia hoat tinh quang xuc tac cua vat ligu thong qua phản ứng phân hủy methylen blue đưới ánh sáng nhìn thấy Nồng độ (MB) thay đổi theo thời gian xác định theo phương pháp đo quang phố UJv-vis Tổng kết kết nghiên cứu Đề tài đạt kết nghiên cứu sau: - Đã tổng hợp thành công vật liệu Ta/ZnO phương pháp thủy nhiệt với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau: 110, 150 va 170 °C, ham lượng Ta pha tap 2% mol (nt /nzn?*=2%); - Đã tổng hợp thành công vật liệu C/ZnO phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng C pha tạp khác nhau; - Đã nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu ZnO pha tạp Ta ZnO pha tạp C thu cấu trúc tỉnh thê, đặc trưng liên kết, hình thái học bề mặt, tính chất hấp thu quang trạng thái hóa học bề mặt, - Đã nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác vật liệu với phân ứng phân hủy MB ánh sáng nhìn thấy ánh sáng mặt trời; - Đánh giá vai trò Ta, C pha tạp ảnh hưởng đến đặc trưng tính chất hoạt tính quang xúc tác ZnO: - Đã nghiên cứu vai trị “miếng” oxi hóa để nghị chế xúc tác phản ứng phân hủy MB Đánh giá kết đạt kết luận Kết đạt được: báo khoa học (Q2) đăng tạp chí RSC Advance Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Trong báo cáo này, vật liệu nano ZnO (Ta-Zn©) pha tạp Ta tổng hợp phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ khác (110, 150 170°C) để thực phản ứng phân hủy metylen xanh (MB) ánh sáng khả kiến Pha tạp Ta ảnh hưởng dáng kề dến khuyết tật tỉnh thể tính chất quang hiệu suất quang xúc tác MB vật liệu ZnO Gờ hấp thu quang Ta-ZnO 150 bị dịch chuyên phía bước sóng dài so với vật liệu ZnO, tương ứng với thu hẹp vùng cấm (EsTa-zno =2,92 eV; Ezzno=3,07 eV), cho thấy vật liệu ZnO pha tạp Ta có khả hấp thụ ánh sáng khả kiến Bên cạnh đó, pha tạp Ta làm tăng cường phát xạ ánh sáng xanh lam quang phổ phát quang, diéu có liên quan đến khuyết tật oxy Vo Diéu quan sát phố XPS, tỷ lệ phần trăm oxy vùng thiếu oxy (O531,SeV) Ta-ZnO150 cao so với ZnO150 Khuyét tat oxy nhân tố quan trọng làm tăng hiệu quang xúc tác ZnO Hiệu suất phân hủy MB mẫu Ta-ZnO 150 đạt cao gấp 2,5 lần so với ZnO chiếu xạ đèn halogen (HL) Diéu đáng ý, ảnh hướng nhiệt độ thủy nhiệt đến đặc tính cấu trúc, hình thái hoạt tính quang hóa vật liệu ZnO pha tạp ta thảo luận tiết Kết là, nhiệt độ thủy nhiệt tối ưu để tổng hợp nano Ta-ZnO 150°C Hơn nữa, thí nghiệm quang xúc tác thực ánh sáng mặt trời mô ánh sáng mặt trời tự nhiên Ban chất trình phân hủy quang oxy hóa MB nghiên cứu In this hydrothermal work, Ta-doped method photodegradation at ZnO (Ta-ZnO) different of methylene nanomaterials temperatures blue (MB) under (110, were 150, synthesized and 170 visible light Ta doping affects the crystal defects, optical properties, and MB °C) by the for the significantly photocatalytic efficiency of ZnO materials The optical absorption edge of Ta-ZnO 150 was redshifted compared to undoped ZnO, correlating to bandgap narrowing (EgTa~ZnO=2.92 eV:EgZnO=3.07 eV), implying that Ta doped ZnO is capable of absorbing visible light Besides, ‘T'a-doping was the reason for enhanced blue light emission in the photoluminescence spectrum, which is related to the oxygen defect Vo" It is also observed in the XPS spectra, where the percentage of oxygen in the oxygendeficient regions (0531.5eV) of Ta-ZnO150 is higher than that of ZnO150 It is an important factor in enhancing ZnO's photocatalytic efficiency efficiency of Ta-doped ZnO reached the highest for Ta-ZnO The MB degradation 150 and was 2.5 times higher than ZnO under a halogen lamp (HL) Notably, the influence of hydrothermal temperature on the structural, morphological, and photoelectrochemical properties was discussed in detail As a result, the optimal hydrothermal temperature for synthesizing the nanorod is 150 °C, Furthermore, photocatalytic experiments were also performed under simulated sunlight and natural sunlight Thenature of the photo-oxidative degradation of MB was investigated IIL Sản phẩm đề tài, công bố va kết đào tạo Kết nghiên cứu (Sản phẩm dang HD TT Tên sản phẩm | Bài báo khoa học IV Tình hình sử dụng kinh phí Đăng ký Đạt ISU/Scopus/Q3/Q4+ Q2- Tạp chí RSC Advance also TT Nội dung chi Kinh phí Kinh phí Ghỉ duyệt | thực (đồng) (đồng) Chỉ phí trực tiệp | Công lao động 34,354,400 | 34,354,400 2_ | Nguyên vật liệu thiệt bị, máy móc 12,223,000 | 12,223,000 | Thiết bị dụng cụ 0 | Cơng tác phí 0 | Dich vu thué ngoai 0 | Hội nghị hội tháo, thù lao nghiệm thu kỳ 0 | In 4n van phong pham 0 3,417,600 3,417,600 § | Chi phí khác B | Chi phi gian tiép | Quan ly phi | Chi phi dién nude Tổng số 50,000,000 | 50,000,000 V Kiến nghị Để thực đẻ tài nhóm tác giả hợp tác với viện nghiên cứu đạt l số kết mong mn Tuy nhiên kinh phí có hạn nên việc thực khảo sát chưa tiên hành Nhóm mong muốn rằng, để tài sau nhà trường câp kinh phí đủ để thực cho kết tốt VỊ Phụ lục sản phẩm Bai bao: “One-step hydrothermal preparation of Ta-doped ZnO nanorods for improving decolorization efficiency under visible light” Tap chi RSC Advance, DOI: https://doi.org/10.1039/D2RA07655A Tp HCM, Chủ nhiệm đềtài — Phong QLKH&HTQT TS Lưu Thị Việt Hà thang năm 2023 Trưởng (đơn vị) PGS.TS Nguyễn văn Cường PHAN IIL PHU LUC DINH KEM (tat ca ven ban dwoi déy dé cé sin, chit nhiém chi can photo đính kèm sau nội dụng trên, sử dụng lý hợp đồng với phịng kế tốn Khi lý, báo cáo in thành 03 cuốn, đó, 01 cuồn đóng bia mẹ vàng, 02 đóng bìa cứng thường) i, Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh để tài phê duyệt Quyét dinh nghiém thu _ Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm giái trình, phiếu phân biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mơ hình 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [H D Nohavica and P Gladkov, “ZnO nanoparticles and their applications — new achievments,” 2070 Nanocon, no 100, pp 1-3, 2010 ZI T Y Ko, M H Tsai, C S Lee, and K W Sun, “Electron transport mechanisms individual cobalt-doped ZnO nanorods,” J Nanoparticle Res., vol 14, no in 11, 2012, doi: 10.1007/s11051-012-1253-2 [3] G Sapkota, K Gryezynski, R McDougald, A Neogi, and U Philipose, “Low- temperature synthesis of Fe-Doped ZnO nanotubes,” J Electron, Mater., vol 41, no 8, pp 2155-2161, 2012, doi: 10.1007/s11664-012-2127-1 [4] J Z Kong nanoparticle,” ef al., “Photo-degradation J Solid State Chem., of methylene vol blue 183, no 6, pp using Ta-doped 1359-1364, ZnO 2010, doi: 10.1016/j.jsse.20 10.04.005 [5] K Irshad, M T Khan, and A Murtaza, “Synthesis and characterization of transition- metals-doped Condens ZnO nanoparticles Matter, vol by 543, sol-gel no auto-combustion April, pp method,” 1-6, Phys 2018, B doi: 10.1016/j._physb.2018.05.006 [6] K Qi ef al, “Transition metal doped ZnO nanoparticles with enhanced photocatalytic and antibacterial performances: Experimental and DFT studies,” Ceram Int., no June, pp 0-1, 2019, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.116 [7] P Singh, R Kumar, and R K Singh, “Progress on Transition Metal-Doped ZnO Nanoparticles and Its Application,” 2019, doi: 10.102 L/aes.iecr.9b01561 [8] P M Perillo and nanorods M N Atia, for photocatalytic Nano-Structures & “Nano-Structures degradation Nano-Objects, & Nano-Objects of p-aminobenzoic vol 10, pp C-doped acid under 125-130, ZnO sunlight,” 2017 - doi: 10.1016/j.nanoso.2017.04.001 [9] V Kumari, A Mittal, J Jindal, S Yadav, and N Kumar, “S-, N- and C-doped ZnO as semiconductor photocatalysts: A review,” Front Mater Sci., vol 13, no 1, 2019, doi: 10.1007/s11706-019-0453-4 [10] R Kabir, A K Saifullah, A Z Ahmed, and S Masum, “Synthesis of N-Doped ZnO Nanocomposites for Sunlight Photocatalytic Degradation of Textile Dye Pollutants,” 2020 [11] K C Barick, Singh, M Aslam, and D Bahadur, “Microporous and Mesoporous 46 Materials Porosity nanoclusters,” and photocatalytic Microporous Mesoporous studies of Mater., vol transition metal 134, 1-3, no doped pp ZnO 195-202, 2010, doi: 10.1016/j.micromeso.2010,05.026 [12] S Chakma and V S Moholkar, “Investigation in Mechanistic Issues of Sonocatalysis and Sonophotocatalysis using Pure and Doped Photocatalysts,” Ultrason Sonochem., [13] L4] 2014, doi: 10.1016/j.ultsonch.2014.06.008 A Manuscript, “Catalysis Science & Technology,” 2014, doi: 10.1039/C4C Y00974F B I Arias-Serrano e/ a/., “Exploring tantalum as a potential dopant to promote the thermoelectric performance of zinc oxide,” Materials (Basel)., vol 12, no 13, pp 111, 2019, doi: 10.3390/mal12132057 (15] E Reyes-cervantes, R Galeazzi, E Rosendo, A Coyopol, and F G Nieto-caballero, “Highly Visible Photoluminescence from Ta-Doped Structures of ZnO Films Grown by HFCVD,” pp 1-18, 2018, doi: 10.3390/cryst8 100395 [16] Y Wu ef al., “Microstructural and optical properties of Ta-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering,” Ceram Int., vol 42, no 9, pp 10847 10853, 2016, doi: 10.1016/j.ceramint.2016.03.214 [17] S Pat and § Korkmaz, “Studies on the Surface and Optical Properties of Ta- Doped ZnO Thin Films Deposited By Thermionic Vacuum Are.” [18] S Mageswari and B Palanivel, “Influence of Al, Ta Doped ZnO Seed Layer on the Structure, Morphology and Optical Properties of ZnO Nanorods,” Curr Smart Mater., vol 4, no 1, pp 45-58, 2019, doi: 10.2174/2405465804666 190326 150628 [19] R Althaf and A M Ashok, “Realization of high thermoelectric power factor in Ta- doped ZnO by grain boundary engineering,” J Appl Phys., vol 128, no 16, pp 0-13, 2020, doi: 10.1063/5.0022287 [20] B L Guo et al, “The Antibacterial Activity of Ta-doped ZnO Nanoparticles,” Nanoscale Res Lett., vol 10, no 1, 2015, doi: 10.1186/s11671-015-1047-4 [21] J Z Kong, A D Li, H F Zhai, Y P Gong, H Li, and D Wu, “Preparation, characterization of the Ta-doped ZnO nanoparticles and their photocatalytic activity under visible-light illumination,” J Solid State Chem., vol 182, no 8, pp 2061-2067 2009, doi: 10.1016/j.jssc.2009.03.022 [22] D Richard, M Romero, and R Faccio, “Author ’ s Accepted Manuscript.” Ceram Int., 2017, doi: 10.1016/}.ceramint.2017.09.232 47 3430 1630 cm! đặc trưng cho dao động liên kết O-H hấp phụ nước bể mặt.|28] Vùng quang phổ khoảng 400-600 em! sử dụng để phát liên kết kim loại-oxy, với liên kết Zn-O thê cực đại 432 cm'1, Các đỉnh khác có số sóng cao ZnO pha tạp C Kết giải thích oxy bị thay carbon (Co) vị trí chúng tác động đến khối lượng cường độ dao động hóa hoe, tir dé ảnh hưởng đến vị trí pie hấp thụ Khối lượng giảm liên kết có liên quan dén trọng lượng phân tử thấp rung động Zn-C so với rung động Zn-O Tiếp theo, xuất thêm liên kết cộng hóa trị Zn-C bên cạnh liên kết ion Zn-O mang tinh thé độ âm điện C (2,55) thấp đáng kề so với O (3,44) Liên kết Zn-C tăng lên lượng Co tăng lên, điều lần ngụ ý dịch chuyển phía số sóng cao Hơn nữa, ảnh hưởng chất pha tạp C thê mô tả đỉnh yếu 860, 1398 1570 em", gọi liên kết C-H, C-O -C=O.[38], [39] 10 08 < ——zao (A) ——czr ụ ——cz3 ầm ——cz: = ee Zn0| aa 200 Š 02 00 100 300 400 500 600 Wavelength (nm) 700 800 15 200 28 30 35 Wavelength (um) 40 45 S0 Hình 3.9 (a) ph6UV-Vis-DRS (b) lượng ving cam ctia ZnO, CZ1, CZ2 va CZ3 Bang 3.5 Năng lượng vùng cấm E; bước sóng hap thu quang vật liệu CZ1, CZ2, CZ3 va ZnO Vật liệu h@s) C (m/s) Eg (eV) X({nm) 31 400 ZnO 6,626.10" 3.108 C-ZnOl 6,626.1031 3.108 2.86 434 €C-ZnO2 6,626.10 3.108 5:79 445 €C-ZnO3 6,626.10*! 3.108 2/77 448 (1 eV = 1.602177-10°9J; Im =10°nm) 30 Pha tạp C ZnO làm rõ kết phân tích quang phố UV-Vis-DRS (Hình 3.9) Kết qua cho thấy mật độ quang vat ligu CZ cao hon ZnO tinh khiét cd ving UV va ving Vis Sw hap thụ ving UV tăng lên yếu tố thuận lợi cho phản ứng quang xúc tác nguồn xạ tia UV ánh sáng mặt trời Ngoài ra, “gờ” hấp thu quang vật liệu CZ, có chuyển bước sóng lớn hơn, tương ứng với hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến giảm lượng vùng cắm vật liệu CZ so voi ZnO (Bang 3.5) Các kết nghien cứu tương tự tìm thấy báo cáo A S Alshammari cộng sự, O Haibo cộng S Liu cộng sự.[25]-[27] Trong nghiên cứu này, lượng vùng câm CZI, CZ2, CZ3 va ZnO tinh khiết (Hình 3.9b) xác định 2.86, 2,79, 2,77 3.1 Mức lượng vùng cấm vật liệu CZ giảm so voi ZnO tinh khiết giảm mạnh vật liệu CZ3 với Egcza 2.77 eV, tương ứng với bước sóng hấp thụ quang vật liệu < 448 nm Có thể thấy, với nguồn cacbon pha tạp PVA, sản phẩm ZnO pha tạp cacbon thu có lượng vùng cấm 2,77 eV (giảm 0,33 eV) giảm mạnh so với ZnO tỉnh khiết giảm mạnh sử dụng nguồn cacbon khác pluronic F127 (giảm 0,19 eV).,[27] polyetylen glycol (PEG) va uré (0,16-0,23 eV),[25] hoac gluconat (0,1 eV) Anh SEM cho thấy hạt mẫu ZnO chưa pha tạp có nhiều hình thái khác nhau, bao gồm hạt nano giống hình cầu, tắm phẳng có kích thước khác số dài có kích thước lớn Đối với PVA/Zn?' = 59% mol, hình thái xúc tác phần cải thiện, hạt dần trở nên xác đồng Tuy nhiên, hạt tồn nhiều hình dạng khác với kích thước lớn Khi tăng hàm lượng PVA lên 10 - 15% tương ứng với lượng pha tạp carbon tăng (mẫu CZ2, CZ3) hạt trở nên đồng hình dạng, sắc cạnh Đáng ý, mặt cắt ngang hạt có hình lục giác độc đáo Tuy nhiên, hạt CZ2 mẫu có kích thước chưa thật đồng bị kết tập Hạn chế cải thiện hàm lượng PVA tăng lên 15% Điều thú vị hạt khơng cịn tập hợp lại nữa, trở nên đồng vẻ kích thước, chiều dai khoảng 40-200 nm, chiều rộng khoảng 40-100 nm chiều cao khoảng 30-50 nm Kết tương tự kết XRD UV-Vis, kích thước tỉnh thể lượng vùng cấm gần 31 Hình 3.10 Ảnh SEM (a) ZnO, (b) CZ1, (c) CZ2, (d) CZ3 voi thang 500 nm; (e), (D CZ2 va CZ3 voi thang 200 nm Quá trình phân hủy quang MB diễn bề mặt chất xúc tác, diện tích bề mặt đóng vai trị thiết yếu việc đảm bảo có đủ không gian bề mặt đề chất xúc tác tương tác với MB Do đó, phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N¿ sử dụng để xác định diện tích bề mặt chất xúc tác (Hình 3.11A) Kết cho thấy đường đăng nhiệt giải hấp phụ N: thuộc loại IV theo phân loại BJH CZ3 có diện tích bề mặt riêng 26,04 m?/g, tong thể tích lỗ rong hap phu 1a 0.154816 cm?/g va téng thể tích lễ rỗng giải hấp 32 0,184513 cm*/g, cao hon so với ZnO khơng pha tạp với diện tích bề mặt riêng 17,6 m”⁄g, tổng thể tích lỗ rỗng hấp phụ 0,154816 cm⁄g tổng lượng giải hấp thể tích lỗ xốp 0,184513 cm3⁄g Diện tích bể mat cla CZ3 cao hon 1.4 lần so với ZnO lý sau: 1) hạt nano CZ3 có kích thước nhỏ ZnO, ¡) hạt CZ3 khơng kết tap, va ili) hình dạng hạt đồng so với hạt ZnO không pha tạp Diện tích bề mặt riêng viên nano C⁄3 báo cáo cao so với diện tích bề mặt riêng vật liệu ZnO pha tạp C báo cáo A S Alshammari cộng (17,1 m2⁄g),[27] O Bechambi (15-21 m2/g),[28] va gần với kết § Liu (4-27,6 m2/g).[25] 120 —*— CZ3-Absorption 2100 4| —-— CZ3-Desorption| & || +—zn0-Adsorption| #80 —~ (A) Zn0-Desorption| Hà i= > 40 = 20 .-.-.-t- ÿ-—tsttrretfrtfcrzss< ZnKa1 00 02 04 06 Relative Pressure (P/Po) 08 10 Full Scale 1307 cts Cursor: 0.000 OKal ke\| €Kal_2 Hình 3.11 (a) Đường đăng nhiệt hấp phụ -giải hap Na CZ3 (b) phổ EDX CZ3, (c) SEM maping C⁄43 Kết EDS (Hình 3.11B) cho thấy tồn đỉnh đặc trưng cho nguyên tố C, O Zn với phần trăm khối lượng tương ứng 1,49%, 22,81% 75,7% Phần trăm khối lượng C pha tạp tương đối nhỏ (1,49%) q trình tổng hợp có thực nung sản phẩm sau trình thủy nhiệt 300 °C Quá trình loại bỏ C bề mặt, đồng thời giúp C pha tạp thâm nhập liên kết tốt mạng tỉnh thể ZnO Ngoài ra, kết phổ SEM maping (Hình 3.11C) cho thấy hình ảnh trực quan phân bố đồng nguyên tố C, O Zn mẫu Ngồi ngun tố khơng nhận thay xuất nguyên tố ngoại lai khác, chứng tỏ vật liệu CZ tổng hợp có độ tỉnh khiết cao 33 (A) Zn2 po (À) —(/3 —Zn0 + Zn2p 12 Zn-O Zn-0-C ® 1021.8 eV 1020.9 eV ° 4i 231eV e 8= đ =i = x Znâyac 1022.5 eV z ⁄ $ 1010 1020 1030 1040 1050 Blnding Energy(eV) 1014 1016 1018 1020 1022 1024 1026 102% Binding Energy(eV) Ols ®) ZmO a Zn-Ovac “23 Cz3 ý Cis (CÌ Pro /2n-0-C 284.5 eV 0n 592.6 eV Cz3 531.6 eV C=0 Intensity au, Intensity au Zm-O-C/n-C eV a Zn0 Zn0 OH S316 eV sm 529 530 5l S32 Rindinao enerov feV1 S33 SBM S35 22 AM ÔNG N8 Binding Energy (eV) Z0 Intepsity (a.u) 7n 200 400 600 8Ú0 1000 1200 Hình 3.12 (a) -(e): phố XPS phân giải cao Zn 2p, Zn 2p1⁄2, O1s C1S CZ3 (d) Phố XPS đú ZnO and CZ4 Hóa học bề mặt ống nano CZ3 phân tich bang quang phé XPS Hinh 3.12A thể lượng liên kết spin - orbital Zn2p, OIs C1s Trạng thái hóa học cúa Zn liên kết Zn-O 12 xác định vị trí cúa Zn2p3/2 1022, eV, Zn2p1/2 1045,2 eV [40] khoảng cách hai obitan Zn2p 23.1 eV, thể hình 3.12A" Nghiên cứu cho thấy địch chuyển màu lam (0,2 eV) Zn 2p3/2 2p5/2 CZ3 so với ZnO tỉnh khiết Điều diện C pha tạp O„a: thường dẫn đến địch chuyển màu xanh lam liên kết Zn-O Hon nữa, người ta quan sát thấy Zn 2p3/2 CZ⁄3 phân giái thành ba đỉnh thành phần (như mô tả hình 3.12Aˆ) Các đỉnh nảy tương ứng với Zn-O-C/Zn-C (1020,9 eV), Zn—O (1021.7 eV) va Zn—Ovac (1022,5 eV).[27] Mot dinh O1 16n (hinh 3.12B) nằm & 530,1 eV ZnO tinh khiết Zn liên kết với O? mang ZnO wurtzite, dinh vai (531.6 eV) 1a nhém OF hode cacbonat.[24] Dinh quan sat duoc 530,2 eV CZ3 dặc trưng cdc ion O*, đỉnh quan sát 529,6 eV gán cho liên kết Zn-Oxa: Zn-O-C Đính lại 532,7 liên quan đến liên kết C-O va C=O,[24], [25] Đồng thời, đỉnh rộng C1S (hình 3.12C) CZ3 bao gồm đính tách 284,5 eV, 286,2 eV 288,58 eV Các đỉnh biểu thị cho liên kết C-C, Zn-O-C/Zn-C C=O, báo cáo tài liệu tham kháo Bên cạnh đó, đính C1S khơng đối xứng CZ3 có độ dịch chuyên màu xanh lam 0,2 eV so với ZnO ngun chất (284,7 eV) Oxae tích điện âm chuyển mật d6 electron nhiều sang C Các mức lượng chất xúc tác quang bị ảnh hướng ton tai liên kết Zn-C, ảnh hưởng đến Fz bước sóng hấp thụ quang Tốc độ tái tổ hợp lỗ electron giảm có mặt chỗ trống oxy liên kết Zn-C, cải thiện hiệu xúc tác quang CZ3 ánh sáng khả kiến 3.3 Nghiên cứu tính chất xúc tác quang hóa vật liệu Ta-ZnO (Nội dung 5) Hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta-ZnO tổng hợp nhiệt độ thủy nhiệt khác nghiên cứu thông qua phản ứng phân hủy MB ánh sáng khả kién (HL) Các kết hình 3.13A cho thấy sau 120 phút chiếu xạ, hiệu suất phân hủy MB đạt 71.0%, 87,0%, 97.8% va 92,8% mẫu ZnO, Ta-ZnOl10, Ta-ZnOl50 Ta- ZnO170 tương ứng Mức giám nồng độ MB tất mẫu ZnO pha tạp cao so với ZnO khơng pha tạp, Ta-ZnO150 có mức giam cao Bên cạnh đó, động học phản ứng nghiên cứu cách vẽ biểu đồ tương quan In(Co/Cy) theo thời gian 35 .] 35) 304 = zn0 se ta-zno1lo ‘Ta-zno130 ¥_ Te-zn0170 | ®) 05 0.0 20 r r 40 r 60 80 T (min) 124——0 r 100 10) 45 minal som | 75 sain a 02 gợi 400 500 Wavelength (run) 10 (E) 08 600 700 9.0 ——r:z.o-sL 14 200150-H1, 100 120 400 500 Wavelength (nm) 120 600 700 Œ) 96- Sữi — e9 hỗ 04 Fáo 40 02 00 80 300 100 d ° 06 S seta} omin 140 |—o— 200150 8st 60 06 04 300 —15 40 08 04 00 20 12 © — êm 1.0-}—— 30 min, Đã CZ2>CZ1>ZnO Hằng số tốc độ phân ứng vat liệu CZ3, 0.0291; CZ⁄2, CZ.1, ZnO tương ứng 0.0334; 0.0197 0.0158 phút}, số tốc độ phản ứng loại bó MB CZ3 lớn lớn gấp hai lần so với mẫu ZnO không pha tạp Kết phù hợp với kết UV-vis-DRS SEM mẫu vật liệu CZ43 có E; nhỏ hình dạng, kích thước đồng déu Vật liệu CZ3 chọn để thực phản ứng phân hủy MB ánh sáng mặt trời Kết (hình 3.16E, hình 3.17B) cho thấy MB bị phân hủy nhanh chóng với hiệu suất 95% sau 45 phút phản ứng số tốc độ phản ứng nhanh 1,88 lần khi thực phản ứng ánh sáng khả kiến (HL) Có thể thấy, xạ UV Vis ánh sáng mặt 40 trời gây hiệu suất lượng tử cực tốt cho xúc tác CZ3 làm tăng tốc độ phản ứng quang oxi hóa MB 1.5 1.5 ——suin 19min | (a) Zn0-MB-Vis “*'-— 60 jp — Lai TS min) re (b) CZ1-MB-Vis 665 90 0.9 d= 120 min, he < 0.6 03 0.0 300 400 500 600 Wavelength (nm) cu 09 700 300 (C) CZ2-MB-Vis 90 7= 4001 500 Wavelength (nm) Me mịn| 600 700 (d) CZ3-MB-Vis 09 + +“ 0.6 06 0.3 03 0.0 300 400 S00 Wavelength (nm) 600 300 00 200 700 400 500 Wavenumber (nm) Hinh 3.16 (a)-(e) Phê UV-Vis MB 300 600 400 500 Wavelength (am) 600 T00 700 ghi đo thời điểm phân ứng khác đưới ánh sáng khả kiến (HL) ánh sáng mặt trời (SL) Tom lai, thấy vật liệu ZnO pha tạp carbon với nguồn carbon PVA tổng hợp phương pháp thủy nhiệt kết hợp với nung có độ kết tinh cao, điện tích bề mặt lớn hap thụ quang tốt vùng ánh sáng tử ngoại khả kiến Đặc biệt vật liệu CZ3 có khả phân hủy tốt MB ánh sáng khả kiến ánh sáng mặt trời với hiệu suất phản ứng đạt 90% sau 120 phút chiếu sáng, số tốc độ phản ứng kcza= 0.0334 41 Tốc độ phản ứng phân hủy MB ánh sáng khả kiến (đèn HL) vat ligu CZ3 cao hon so với vật liệu Ta-ZnO150 (kra-znoiso=0,0294) 1.0 ws= (a) 0.0628x - 0.1188 ig d o (b) y=0.0334x -0.0344 £y=0.0291x + 0.017 0.6 y= 0.0197z + 0.0079 a 0.4 4|/—S— 720-MB-Vis _—= CZ1-MB-Vis 0.2 r1 4|—— CZ2-MB-Vis —— CZ3-MB-Sun 30 C A y=0.0158x -0.0471 P= CZ3-MB-Vis 0 a 60 90 120 T min) “| 150 180 210 20 40 60 80 100 T (min) 12 140 2n0-MB-Vis GZL-MB-VE caMBvis CZRMB-Vis cz>MBsua 160 180 Hình 3.17 (a) suy giảm nồng độ MB theo thời gian; (b) động học phản ứng phân hủy MB xúc tác ánh sáng khả kiên ánh sáng mặt trời no quenhe 08 ° 06 > 04[Sno quence |~Siso-prop 0.2 deem EDTA 0.0 —=pbQ [a ARNOT 20 40 ø ‘Time (min) 80 j 100 90 (min) Hinh 3.18 (a)-(b) Phân hủy MB sau 90 phút với có mặt chat “bat gốc” sử dụng xúc tác CZ3 ánh sáng khả kién (HL) Để hiểu rõ chế phản ứng vai trò “miếng” quang oxi hóa -OH, h*, Oz e, chất “bẫy” isopropanol thêm vào trình phân ứng Kết (Hình 3.18) cho thấy thêm “chất bắt”, phân hủy MB xây chậm nhiều, đặc biệt thêm EDTA 1sopropanol, phân hủy MB xảy chậm, cụ thể hiệu suất phân hủy MB đạt 9,15% 14,3% tương ứng sau 90 phút chiếu xạ Khi thêm “chất bắt” p-benzoquinone AgNO2a hiệu suất phân hủy MB đạt tương ứng 76,03% va 38,78% sau 90 phút chiếu xạ Nhìn chung, “miếng” quang oxi hóa -OH, hŸ, Oz e' đóng vai trị thiết yếu q trình phân hủy quang MB, h” -OH đóng vai trị định đến hiệu phân hủy MB Vai trò “miếng” quang oxi hóa xếp theo thứ tự sau: hŸ > :OH > e'> -Oz 42 Giá trị khoảng cách vùng cắm CZ3 2,77 eV (kết UV-Vis-DRS), giá trị lượng Evs Ecs CZ3 2,675 -0,095 eV Qua đây, chế phản ứng phân hủy MB vạt liệu ZnO pha tạp C đề nghị hình 3.19 Khi chiếu ánh sáng thích hợp, electron vùng hóa trị €Z3 nhận lượng (hv), sau nhảy lên vùng dẫn tạo lỗ trống vùng hóa trị Thế khứ electron quang sinh (e) khoảng từ +0,5 đến -1,5 V lỗ trống quang sinh khoảng từ +1,0 đến +3,5 Do đó, lỗ trống (h*) sau chuyên lên bề mặt xúc tác phản ứng với HO (E®,owao = +2,31 eV) tạo thành gốc 'OH (phản ứng 8) Các tác nhân h', 'OH tác nhân oxi hóa mạnh, khơng chọn lọc nên phản ứng khống hóa hồn tồn MB tao CO», HO sản phẩm vơ độc (phán ứng 9) CZ+hv > CZ(e +h) (7) h'+ HO > OH+H* (8) h',-OH+ MB > CO2 +O + san pham v6 co (9) H;0 + C0; + inorganic products Hình 3.19 Sơ đồ minh họa chế quang xúc tác phân hủy MB cua vat liéu ZnO pha tap C (CZ3) 3.5 Kết luận Đã tổng hợp thành công vật liệu Ta/ZnO (nội đung 2) C/ZnO (nội dung 3): Các nano ZnO pha tạp Ta “viên” ZnO pha tạp C tổng hợp thành công phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ thủy nhiệt khác “viên” nano ZnO pha tạp C tông hợp thành công phương pháp thúy nhiệt với hàm lượng C pha tạp khác 43 Đã nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu Ta/ZnO C/ZnO tổng hợp dược (Nội dung 4): Kết nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu tổng hợp cho thấy Ta hay C pha tap ánh hưởng đến hình thái, tính chất quang quang điện hóa ZnO Cụ thể lượng vùng cấm Ta/ZnO 2,92 eV C/ZnO 2.77 eV, giảm so với ZnO không pha tạp (3,1 eV) Các nano Ta/ZnO hấp thụ ánh sáng với < 425 nm viên nano C/ZnO hấp thu ánh sáng với X< 448 nm Mật độ dòng quang Ta/ZnO tăng 3,5 lần so với ZnO không pha tạp v.v Nhiệt độ thủy nhiệt phù hợp cho tổng hợp thủy nhiệt nano Ta/ZnO 150°C, tỉ lệ mol PVA/Zn?' phù hợp cho thông hợp viên nano C/ZnO 15% Đã nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta/Z⁄nO C/ZnO (Nội dung 5): Kết nghiên cứu cho thay, pha tap Ta hay C cải thiện hoạt tính quang xúc tac cha ZnO ánh sáng kiến Hiệu phân hủy MB ánh sáng khả kiến Ta/ZnO gấp 2,5 lần C/ZnO gấp 2,1 lan so với ZnO không pha tạp Điều liên quan dến gia tăng khuyết lỗ trống oxy pha tap Ta hay C vào mang tinh thé ZnO, làm giám tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống Hơn thé, kết cho thay, vật liệu Ta/ZnO C/ZnO tổng hợp có hoạt tính quang xúc tác tốt ánh sáng mặt trời 3.6 Kiến nghị - Phát triển đề tài theo hướng mở rộng chứng minh thành phần pha tạp vào hay không vào mạng cấu trúc, xác định thành phân fpha hình thành; - Mở rộng nguồn cung cấp cacbon lai tạo chất dễ phân hủy, hướng ứng dụng xanh; ~- Mỏ rộng ứng dụng với việc phân hủy chất kháng sinh thuốc bảo vệ thực vật 44
Ngày đăng: 13/12/2023, 23:10
Xem thêm:
