Đang tải... (xem toàn văn)
Dođó, nghiên cứu phát triển những vật liệu quang xúc tác hiệu quả trong điều kiện ánh sáng khả kiếnđang nhận được rất nhiều sự quan tâm.Đe tài này nhằm nghiên cứu phát triển những chất b
Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÃI KHOA HỌC KÉT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOẤ HỌC CẮP TRƯỜNG Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu xúc tác quang SD@ZnCơ2O4 ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm điều kiện ánh sáng khả kiến Mã số đề tài: 22/1HH01 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Mai Tho’ Đon vị thực hiện: Khoa công nghệ Hóa học Tp Hồ Chí Minh, 2023 LỜI CÁM ƠN Chúng xin chân thành cảm ơn Quỹ nghiên cứu khoa học Trường Đại học Công nghiệp Tp HCM, lãnh đạo khoa Cơng nghệ Hóa học, Phịng thí nghiệm Khoa Cơng nghệ Hóa học, thành viên đề tài giúp tơi hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thơng tín tổng qt 1.1 Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu xúc tác quang SD@ZnCo2Ơ4 ứng dụng xử lý chất hữu ô nhiễm điều kiện ánh sáng khả kiến 1.2 Mã số: 22/1HH01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài Trường Đại học Công TS Nguyễn Thị Mai Thơ nghiệp TP Hồ Chí Minh Chủ nhiệm đề tài Trường Đại học Cơng PGS.TS Võ Thế Kỳ nghiệp TP Hồ Chí Minh Thành viên tham gia 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thòi gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: 12 tháng từ tháng 08 năm 2022 đến tháng năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 08 năm 2022 đến tháng 10 năm 2023 1.6 Những thay đổi so vói thuyết minh ban đầu (nếu có): KHƠNG (Ve mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Vấn đề ô nhiễm môi trường, bao gồm ô nhiễm nước trở thành vấn đề lớn sống người Ô nhiễm nguồn nước tự nhiên chất thải hữu chất màu hay kháng sinh trở thành nguy đe dọa hệ sinh thái chất lượng sống người Vì vậy, việc xử lý chất nhiễm hữu nước thải nhận nhiều quan tâm toàn giới Nhiều phương pháp thực để loại bỏ chất thải hữu nước thải, bao gồm phương pháp sinh học truyền thống, hấp phụ, thẩm thấu ngược đông tụ Tuy nhiên, hiệu phương pháp hạn chế Hiện nay, phân hủy chất thải hữu phương pháp quang ii xúc tác xem phương pháp hiệu để xử lý nhiễm nước thải Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu điều kiện ánh sáng khả kiến nhận nhiều quan tâm Đe tài nhằm nghiên cứu phát triển chất bán dẫn biến tính (heterojunction photocatalysts) có khả xúc tác quang SD@oxit (SD-Semiconductor) hay hỗn hợp oxit dẫn xuất từ LDHs (SD@MMO) tăng cường q trình chuyển hóa khác bề mặt chung liên quan đến cặp lỗ trống - điện tử quang sinh, lượng vùng cấm đủ lớn để giảm tái hợp lại Mục tiêu a) Mục tiêu tổng quát Góp phần giải vấn đề ô nhiễm nguồn nước, biến đổi môi trường chất thải hữu ô nhiễm Thông qua đề tài, nâng cao chất lượng nghiên cứu khoa học đào tạo thực hành cho giảng viên, sinh viên ngành Công nghệ Hóa học- Trường Đại Học Cơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh b) Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang SD@ZnCo2Ơ4 ứng dụng phân hủy chất hữu ô nhiễm phẩm nhuộm, kháng sinh môi trường nước Chiến lược: tổng hợp xúc tác quang biến tính ZnCo2Ơ4 có hiệu cao vùng ánh sáng khả kiến xử lý ô nhiễm hữu Vật liệu tổng hợp SD@ZnCơ2Ơ4 có khả loại bỏ chất hữu nhiễm cao 30 - 50% so với vật liệu ZnCo2Ơ4 SD@ ZnCo2Ơ4 có độ chọn lọc cao chất hữu nhiễm Vật liệu SD@ZnCơ2Ơ4 tổng hợp có độ bền cao có khả tái sử dụng Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc tính chất hóa lý vật liệu composite SD@MMO xác định phương pháp phân tích hấp phụ-giải hap N2, FE-SEM, TEM, XRD, XPS, FT- IR, TGA, v.v Khả hấp phụ quang xúc tác phân hủy chất thải hữu (phẩm màu kháng sinh) tiến hành điều kiện ánh sáng khả kiến Ảnh hưởng điều kiện thực nghiệm (nhiệt độ, nồng độ, pH, ) nghiên cứu Ngồi ra, thí nghiệm bẫy gốc tự với phân tích đại áp dụng để dự đoán chế xúc tác quang vật liệu Tổng kết kết nghiên cứu Nội dung 1: Tổng quan tài liệu Cách tiếp cận: Tìm tài liệu liên quan đến đề tài iii Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: https://www.sciencedirect.com/science/article/ https://link.springer.com/article/ https://pubs.acs.org/journal/langd5 Kết quả: Cập nhật công bố liên quan đến hướng nghiên cứu thựchiện Nội dung 2: Tổng hợp vật liệu ZnCo2Ơ4 Cách tiếp cận: Tổng hợp cấu trúc ZnCo2Ơ4 có diện tích bề mặt lớn, kích thước lỗ xốp phù hợp, có độ bền nhiệt hóa học cao Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: ZnCo2Ơ4 dẫn xuất LDHs tổng hợp phương pháp đồng kết tủa Kết quả: Tổng hợp vật liệu ZnCơ2Ơ4 Nội dung 3: Tổng hợp vật liệu bán dẫn biến tính SD@ ZnCơ2Ơ4 Cách tiếp cận: Vật liệu ZnCơ2Ơ4 biến tính phương pháp kết tủa Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp kết tủa: Chất bán dẫn SD kết tủa ZnCơ2Ơ4 Kết quả: Tổng hợp vật liệu biến tính SD@ZnCơ2Ơ4 4 Nội dung 4: Phân tích cấu trúc tính chất SD, ZnCơ2Ơ4, SD@ZnCơ2Ơ4 Cách tiếp cận: cấu trúc vật liệu tổng hợp xác định phương pháp phân tích hóa lý đại Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Các phương pháp hóa lý đại SEM, TEM, XRD, XPS, FT-IR, DRS, v.v Kết quả: Tổng hợp vật liệu SD, ZnCo2Ơ4, SD@ZnCo2Ơ4 có độ tinh khiết cao, kích thước đồng nhất, SD liên kết phân tán bề mặt ZnCo2Ơ4 iv 4.5 Nội dung 5: ứng dụng chất xúc tác quang bán dẫn SD, ZnCo2Ơ4, SD@ZnCo2Ơ4 phân hủy chất hữu ô nhiễm giả định (thuốc nhuộm, kháng sinh, V.V.) Cách tiếp cận: Xác định khả phân hủy bỏ chất hữu ô nhiễm vật liệu SD@ZnCo2Ơ4 với đối tượng nước thải giả định Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Xác định nồng độ chất hữu cơ, TOC trước sau xúc tác Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình xúc tác cụ thể nồng độ, pH, khối lượng xúc tác, tỉ lệ SD/ZnCo2Ơ4 Kết quả: So sánh hiệu phân hủy chất ô nhiễm hữu vật liệu SD, ZnCơ2Ơ4, SD@ZnCo2Ơ4, xác dịnh hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm hữu vật liệu SD@ZnCo2Ơ4 điều kiện tốt Nội dung 6: Đánh giá độ bền, khả tái sử dụng vật liệu SD@ZnCo2Ơ4 Cách tiếp cận: Vật liệu sau xúc tác tái sử dụng lại sau lần điều kiện xúc tác Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa thay đổi hiệu suất xúc tác SD@ZnCo2Ơ4 sau lần tái sử dụng phân hủy thuốc nhuộm điều kiện Kết quả: So sánh hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm sau lần tái sử dụng vật liệu SD@ZnCo2O4 Nội dung 7: Xây dựng mơ hình động học q trình xúc tác Cách tiếp cận: Xác định mơ hình động học q trình phân hủy chất nhiễm vật liệu SD, ZnCo2Ơ4, SD@ZnCo2Ơ4 dựa kết thực nghiệm phân hủy chất ô nhiễm theo thời gian Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Sử dụng mơ hình động học bậc 1, bậc 2, hệ số tương quan R2 Kết quả: số liệu số tốc độ phản ứng, phương trình động học, hệ số tương quan Nội dung 8: Dự đoán chế trình xúc tác Cách tiếp cận: Tiến hành thí nghiệm bẫy gốc tự OH’, Ơ2' cặp điện tử (e‘) lỗ trống (h +) quang sinh Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa hiệu suất phân hủy chất nhiễm có chất bẫy gốc trình xúc tác Nội dung 9: Tổng hợp, so sánh, đánh giá kết viết báo khoa học X Cách tiếp cận: Tổng hợp, đánh giá số liệu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Tổng hợp, so sánh, phân tích Kết quả: Viết gửi đăng báo khoa học tạp chí ISI/Scopus Đánh giá kết đạt kết luận Công bố 01 quốc tế tạp chí thuộc danh mục ISI; Hoàn thành báo cáo nghiệm thu đề tài Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Tóm tắt Đã tổng hợp thành cơng vật liệu p-n Bi2Ss/ZnCo2O4 (x = 0, 2, 6, 12 20) phưong pháp đồng kết tủa thủy nhiệt Vật liệu kết hợp p-n BÌ2S3/ZnCo2Ơ4 xác định đặc trưng đặc tính cấu trúc, quang học, quang hóa khả khử màu thuốc nhuộm indigo carmine Đồ thị Mott-Schottky chứng minh tiếp xúc dị thể hình thành n-BÌ2S3 p-ZnCo2Ơ4 Đặc biệt tiếp xúc p-n BÌ2S3/ZnCo2O4 tối ưu hóa với 12% trọng lượng BÌ2S3 cho thấy hiệu suất xúc tác quang cao 92.1% dung dịch 40 mg/L, khối lượng 1.0 g/L pH vòng 90 phút ánh sáng khả kiến Nghiên cứu chứng minh xúc tác p-n BỈ2S3/ZnCo2O4 tăng đáng kể hiệu suất xúc tác quang giảm trình tái kết hợp cặp lỗ electron-lỗ quang tạo Hon nữa, chất xúc tác tổng hợp cịn thể tính ổn định khả tái chế tốt cho việc xử lý môi trường Abstract An innovative p-n heterojunction BỈ2S3/ZnCo2O4 composite was first fabricated via a two-step co-precipitation and hydrothermal method By controlling the weight amount of Na2S and Bi(NƠ3)3 precursor, different xBỈ2S3/ZnCo2O4 heterogeneous were synthesized (x = 0, 2, 6, 12, and 20) The p-n heterojunction Bi2S3/ZnCo2O4 was characterized by structural, optical, and photochemical properties and the photocatalyst decoloration of indigo carmine Mott-Schottky plots proved heterojunction formed between n-BỈ2S3 and p-ZnCo2Ơ4 Especially the optimized p-n BỈ2S3/ZnCo2O4 heterojunction with 12 wt.% BÌ2S3 showed the highest photocatalyst efficacy of 92.1% at 40 mg/L solutions, a loading of 1.0 g/L, and a pH of within 90 of visible light illumination These studies prove that p-n Bi2S3/ZnCo2O4 vi heterojunction photocatalysts can greatly boost their photocatalytic performance because the inner electric field enhances the process of separating photogenerated electron-hole pairs Furthermore, this composite catalyst showed good stability and recyclability for environmental remediation III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo Kết nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3) Yêu cầu khoa học hoặc/và tiêu kinh tế - kỹ thuật Tên sản TT phẩm Đăng ký Đạt Bài báo 01 báo ISI 01 báoISI (Q2, IF: 3.9) quốc tế Tên báo: tạp A novel n-p heterojunction BiiSj/ZnCozCh chí Scopus/ photocatalysts for boosting visible-light- driven ISI photocatalytic performance toward indigo carmine RSC Advances ,2023,13,16248-16259 DOỈ: ỈO.ỈO39/d3raO28O3h rsc.ỉỉ/rsc-advances 3.2 Kết đào tạo T T Họ tên N gl liên cứu sinh Thòi gian thực đề tài Tên đề tài Tên chuyên để làNCS Tên luận văn Cao học Đã bảo vệ không Học viên cao học không Sinh viên Đại học khơng - Kèm photo trang bìa chuyên để nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận IV Tình hình sử dụng kinh phí TT A Nội dung chi Chi phỉ trực tiếp Thuê khoán chuyên mơn Kinh phí duyệt (triệu đồng) 50,000,000 Kinh phí thực (triệu đồng) 50,000,000 34,210,400 34,210,400 vii Ghi Nguyên, nhiên vật liệu, 11,789,600 Thiết bị, dụng cụ Cơng tác phí Dịch vụ thuê Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu kỳ In ấn, Văn phòng phẩm 4,000,000 Chi phí khác B Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện, nước Tong số 50,000,000 V Kiên nghị (vê phát trỉên kêt nghiên cứu đê tài) 11,789,600 4,000,000 50,000,000 VI Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) Tên báo:A novel n-p heterojunction BÌ2S3/ZnCo2O4 photocatalysts for boosting visible-lightdriven photocatalytic performance toward indigo carmine RSC Advances ,2023,13,16248-16259 DOỈ: Ỉ0.Ỉ 039/d3ra02803h rsc li/rsc-advances Chủ nhiệm đề tài Phông QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ) Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký) Nguyễn Thị Mai Thơ PGS.TS Nguyễn Văn Cường vii i MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ô nhiễm nước thải dệt nhuộm 1.1.1 Giới thiệu thuốc nhuộm 1.1.2 Thuốc nhuộm Indigo carmine 1.1.3 Qúa trình oxi hóa nâng cao xử lý nước thải dệt nhuộm 1.2 Tổng quan xúc tác quang hóa 1.2.1 Các chất xúc tác quang bán dẫn 1.2.3 Chất xúc tác quang bán dẫn .7 1.2.4 Phưong trình động học trình xúc tác 1.2.5 Phản ứng bẫy gốc tự trình xúc tác 11 1.3 Các phưong pháp phân tích vật liệu .13 1.3.1 Phép đo nhiễu xạ tia XRD ( X- ray diffraction) 13 1.3.2 Kính hiển vi điện tử quét SEM 14 1.3.3 Quang phổ hấp thu phân tử uv - VIS 15 1.3.4 Phưong pháp đo phổ phát xạ khuếch tán (ƯV - DRS) 15 1.3.5 Phưong pháp phổ hồng ngoại (IR) 16 1.3.6 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 18 2.1 Hóa chất thiết bị dụng cụ 18 2.1.1 Hóa chất 18 2.1.2 Thiết bị dụng cụ 18 2.2 Nội dung nghiên cứu 19 2.2.1 Điều chế vật liệu BÌ2S3/ZnCo2Ơ4( (nội dung 2) 19 2.2.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu X.OB12S3/ZC 21 2.2.3 Xác định nồng độ thuốc nhuộm .24 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Tính chất hóa lý xúc tác X.OB12S3/ZC (nội dung 4) 26 3.1.1 Giản đồXRD 26 3.1.2 Phổ FT-IR 27 3.1.3 Ảnh SEM TEM vàHRTEM .28 3.1.4 Phổ phản xạ khuếch tán ƯV-Vis DRS .29 3.1.5 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 31 3.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác X.OB12S3/ZC đến q trình phân hủy IC ánh sáng nhìn thấy 34 3.2.1 Ảnh hưởng lượng BÌ2S3 xúc tác X.OB12S3/ZC 34 3.2.2 Ảnh hưởng lượng xúc tác 3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ IC ban đầu .38 3.2.4 Ảnh hưởng pH 39 3.2.5 Nghiên cứu độ bền tái sử dụng hệ xúc tác I2.OB12S3/ZC 41 I2.OB12S3/ZC 37 3.2.6 Thí nghiệm bẫy gốc hoạt động phản ứng phân hủy IC xúc tác I2.OB12S3/ZC42 3.2.7 Đe xuất co chế phản ứng phân hủy IC xúc tácl2.0BĨ2S3/ZC 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 X