(Đồ án hcmute) nghiên cứu chế tạo vật liệu nano pt tio2 bằng phướng pháp chiếu xạ tia yco 60 và ứng dụng làm quang hóa xúc tác phân hủy methyl da cam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO PT/TIO2 BẰNG PHƯỚNG PHÁP CHIẾU XẠ TIA YCO-60 VÀ ỨNG DỤNG LÀM QUANG HÓA XÚC TÁC PHÂN HỦY METHYL DA CAM GVHD:VÕ THỊ THU NHƯ SVTT: LÊ TRỌNG CHINH MSSV:15128003 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2020 an an an an an an an an an an Kết hợp giá trị lượng vùng cấm thấy lượng vùng cấm mẫu vật liệu Pt/TiO2 thấp so với TiO2 Như vậy, vật liệu Pt/TiO2 cho hiệu quang xúc tác ánh sáng khả kiến cao nhiều so với mẫu vật liệu TiO2 thông thường 3.2 Khảo sát hiệu quang xúc tác phân hủy methyl da cam vật liệu Pt/TiO2 3.2.1 Khảo sát hiệu phân hủy methyl da cam vật liệu Pt/TiO2 theo thời gian Bảng 3.3 Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) vật liệu theo thời gian t(min) Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 14,59 19,97 28,70 33,80 30 31,91 59,71 68,23 71,51 60 45,37 62,26 74,84 76,68 90 45,72 63,46 76,04 80,64 120 46,00 63,88 78,75 82,33 Hình 3.5 biểu đồ so sánh khả phân hủy methyl da cam mẫu vật liệu 30 an Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình thấy: so với vật liệu P25, vật liệu Pt/TiO2 có hiệu quang xúc tác cao Hiệu quang xúc tác tăng dần tăng thời gian chiếu sáng Trong mẫu vật liệu Pt/TiO2 mẫu Pt1.5/TiO2 cho hiệu quang xúc tác cao thời gian xúc tác 120 phút, mẫu Pt/TiO2 đạt hiệu suất phân hủy 82,33% cao so với TiO2 46,00% Vật liệu biến tính Pt/TiO2 điều chế phương pháp chiếu xạ cho hiệu quang xúc tác ánh sáng khả kiến cao nhiều so với mẫu vật liệu TiO2 thông thường Điều giải thích tia xạ lượng cao khử Pt4+ thành Pt gắn vào cấu trúc phân tử TiO2 từ làm giảm mức lượng vùng cấm Pt bề mặt TiO2 hình thành nên bẫy electron ngăn cản tái tổ hợp cặp electron-lỗ trống quang sinh 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy methyl da cam Bảng 3.4 Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) vật liệu theo hàm lượng Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) Hàm lượng vật liệu (g/l) P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 0,5 14,63 34,01 53,17 56,66 1,0 44,74 62,79 75,19 77,00 1,5 44,44 66,97 82,07 84,12 2,0 58,75 73,85 86,82 89,09 2,5 62,64 79,80 89,97 91,10 3,0 68,50 83,33 89,76 90,89 3,5 67,60 81,39 88,17 90,41 4,0 66,13 75,23 83,34 87,19 31 an Hình 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy methyl da cam Nhận xét: Dựa vào đồ thị thấy có biến đổi hiệu suất quang hóa theo hàm lượng vật liệu Chứng tỏ hiệu suất quang xúc tác có phụ thuộc vào hàm lượng vật liệu quang xúc tác Khi tăng hàm lượng vật liệu TiO2, Pt0.5TiO2 từ 0.5 đến 3,0 g/l vật liệu Pt1.0/TiO2, Pt1.5/TiO2 từ 0,5 đến 2,5 g/l hiệu xuất quang xúc tác phân hủy methyl da cam tăng nhanh Vì hàm lượng chất xúc tác quang tăng lên tăng lượng photon ánh sáng bị hấp phụ lượng ●OH tạo nhiều dẫn đến hiệu suất phân hủy tăng Khi hàm vật liệu tục tăng hiệu suất phân hủy gần khơng thay đổi có xu hướng giảm dần Có thể thấy lúc lượng vật liệu tăng không tăng mà làm giảm hiệu suất phân hủy Nguyên nhân lượng vật liệu bị dư trở thành chất che chắn, gây cản trở trình hấp thu photon ánh sáng vật liệu 32 an 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ methyl da cam đến hiệu suất phân hủy methyl da cam Bảng 3.5 Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) vật liệu theo nồng độ methyl da cam Nồng độ dung dịch Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) methyl da cam (ppm) P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 10 79,12 91,05 94,60 95,45 15 48,68 68,39 85,07 86,73 20 45,57 62,51 74,91 76,90 25 25,54 46,52 62,54 68,21 30 22,23 45,57 58,45 60,15 Hình 3.7 ảnh hưởng nồng độ dung dịch methyl da cam đến hiệu suất phân hủy 33 an Nhận xét: Khi tăng nồng độ dung dịch methyl da cam từ đến 10 ppm hiệu suất quang xúc tác phân hủy methyl da cam vật liệu tăng Nhưng tiếp tục tăng nồng độ dung dịch methyl da cam hiệu suất quang xúc tác phân hủy methyl da cam vật liệu lại giảm dần Do nồng độ dung dịch tăng cao làm giảm lượng ảnh sáng truyền tới dẫn đến giảm hiệu suất phân hủy 3.2.4 Khảo sát khả tái sử dụng vật liệu Bảng 3.6 khả tái sử dụng vật liệu TN Hiệu suất phân hủy methyl da cam (%) Ban đầu Lần Lần 90,36 87,44 84,11 Hình 3.8 Khảo sát khả tái sử dụng vật liệu Pt/TiO2 34 an 3.2.5 Cơ chế phân hủy methyl da cam vật liệu Pt/TiO2 Các lỗ trống quang sinh tích điện dương oxy hóa H2O bề mặt để tạo gốc  OH , tác nhân oxy hóa mạnh Các gốc hydroxyl sau oxy hóa chất hữu tạo thành chất trung gian, cuối phân hủy thành CO2 H2O Pt/TiO2 + hv  Pt(h+ + e-)/TiO2 Pt(h+ + e-)/TiO2  Pt(h+)/TiO2(e-) TiO2(e-) + O2  O2 Pt(h+) + H2O   OH + H+ O2 + H+  HO2 O2 + H2O  HO2 + OHHO2 + H2O  H2O2 +  OH H2O2 + hv   OH  OH , O2 , HO2 + chất ô nhiễm  chất trung gian  H2O + CO2 35 an KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận: Đã tổng hợp thành cơng vật liệu xúc tác quang hóa Pt/TiO2 phương pháp chiếu xạ tia γCo-60 sở tiền chất ban đầu TiO2 H2PtCl6 Đây phương pháp khử ion kim loại điều kiện nhiệt độ áp suất thường, quy trình tổng hợp đáp ứng yêu cầu sản suất (không chứa chất khử dư ion lim loại dư) Các tính chất đặc trưng vật liệu xác định phương pháp đo: nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ khuếch tán phản xạ lượng tia X (EDX), lượng vùng cấm (Band Gap) Kết đo XRD cho thấy đỉnh nhiễu xạ thể cho TiO2 pha anatase mẫu vật liệu Pt0.5/TiO2, Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 mặt phẳng tinh thể (004) (200) bị dịch chuyển so với mẫu TiO2 điều chứng tỏ mẫu Pt/TiO2 có xuất Pt xen kẽ vào cấu trúc mạng tinh thể TiO2 Kết EDX cho thấy có xuất nguyên tố Pt vật liệu Ảnh SEM mơ tả kích thước hạt hạt TiO2 vào khoảng 20-50 nm Năng lượng vùng cấm vật liệu Pt/TiO2 với hàm lượng 0,5; 1,0; 1,5% 3,2859; 3.3754 3.4032 eV thấp so với TiO2 3,4126 eV Các điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác nghiên cứu đánh giá, kết cho thấy mẫu vật liệu Pt1.5/TiO2 cho hiệu suất xúc tác quang hóa tốt với hiệu suất phân hủy 91,10% thời gian chiếu sáng 60 phút với hàm lượng vật liệu 2,5 g/l Vật liệu Pt/TiO2 có khả tái sử dụng cao Hiệu suất phân hủy methyl da cam Pt1.5/TiO2 sau lần tái sử dụng đạt 84,11% Kiến nghị: - Nghiên cứu sử dụng vật liệu Pt/TiO2 phân hủy chất độc hại khác - Nghiên cứu biến tính TiO2 với kim loại khác 36 an PHỤ LỤC Phụ lục 1: Năng lượng vùng cấm TiO2: Phụ lục 2: Năng lượng vùng cấm Pt0.5/TiO2: Phụ lục 3: Năng lượng vùng cấm Pt1.0/TiO2: 37 an Phụ lục 4: Năng lượng vùng cấm Pt1.5/TiO2: 38 an Phụ lục 5: XRD-Platinium Phụ lục 6: Độ hấp thụ quang nồng độ methyl da cam khảo sát theo thời gian t(min) Độ hấp thụ quang (Abs) A0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 1,432 1,223 1,146 1,021 0,948 30 1,432 0,975 0,577 0,455 0,408 60 1,415 0,773 0,534 0,356 0,330 90 1,415 0,768 0,517 0,339 0,274 120 1,426 0,770 0,515 0,303 0,252 t(min) Nồng độ dung dịch methyl da cam (ppm) C0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 20.98 17.90 16.77 14.93 13.86 30 20.98 14.26 8.40 6.61 5.92 60 20.73 11.29 7.77 5.15 4.77 90 20.73 11.21 7.52 4.90 3.95 120 20.89 11.24 7.49 4.38 3.63 39 an Phụ lục 7: Độ hấp thụ quang nồng độ methyl da cam khảo sát theo hàm lượng vật liệu Độ hấp thụ quang (Abs) Hàm lượng vật liệu (g/l) A0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 0,5 1,435 1,225 0,947 0,672 0,622 1,0 1,435 0,793 0,534 0,356 0,33 1,5 1,411 0,784 0,466 0,253 0,224 2,0 1,411 0,582 0,369 0,186 0,154 2,5 1,416 0,529 0,286 0,142 0,126 3,0 1,416 0,446 0,236 0,145 0,129 3,5 1,429 0,463 0,266 0,169 0,137 4,0 1,429 0,484 0,354 0,238 0,183 Nồng độ dung dịch methyl da cam (ppm) Hàm lượng vật liệu (g/l) C0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 0,5 21.02 17.93 13.85 9.80 9.07 1,0 21.02 11.58 7.77 5.15 4.77 1,5 20.67 10.57 6.77 3.64 3.21 2,0 20.67 8.48 5.35 2.65 2.18 2,5 20.74 7.70 4.13 2.01 1.77 3,0 20.74 6.48 3.39 2.05 1.82 3,5 20.93 6.73 3.83 2.40 1.93 4,0 20.93 7.04 5.13 3.42 2.61 40 an Phụ lục 8: Độ hấp thụ quang nồng độ methyl da cam khảo sát theo nồng độ Độ hấp thụ quang (Abs) Nông độ dd(ppm) A0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 0,339 0,120 0,054 0,041 0,032 10 0,704 0,147 0,063 0,038 0,032 15 1,025 0,526 0,324 0,153 0,136 20 1,411 0,768 0,529 0,354 0,326 25 1,711 1,274 0,915 0,641 0,544 30 2,065 1,606 1,124 0,858 0,823 Nồng độ dung dịch methyl da cam (ppm) C0 P25 Pt0.5/TiO2 Pt1.0/TiO2 Pt1.5/TiO2 4.90 1.68 0.71 0.52 0.39 10.27 2.08 0.85 0.48 0.39 14.99 7.65 4.68 2.17 1.92 20.67 11.21 7.70 5.13 4.71 25.08 18.65 13.38 9.35 7.92 30.29 23.54 16.45 12.54 12.02 Phụ lục 9: Độ hấp thụ quang nồng độ methyl da cam trình khảo sát khả tái sử dụng vật liệu A0 C0 Độ hấp thụ Nồng độ dung quang (Abs) dịch Ban đầu 1,473 21,58 0,142 2,01 Lần 1,473 21,58 0,185 2,64 Lần 1,473 21,58 0,234 3,36 41 an DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Phùng Thị Thu, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác sở TiO2 vật liệu khung kim (MOF) 2014, Luận văn thạc sỹ: Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội Yin, S., et al., Preparation of Visible Light-Activated Titania Photocatalyst by Mechanochemical Method Chemistry Letters 2003 32(4): p 358-359 Võ Thị Thu Như, Nghiên cứu chế tạo Ag/TiO2, Ag-Ni/TiO2 phương pháp chiếu xạ tia γCo-60 ứng dụng làm xúc tác quang hóa phân huỷ chất màu hữu 2018, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật: Đại học Bách khoa-Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Mital, G.S and T Manoj, A review of TiO2 nanoparticles Chinese Science Bulletin, 2011 56(16): p 1639-1657 Samat, M.H., et al., Hubbard U calculations on optical properties of 3d transition metal oxide TiO2 Results in Physics, 2016 6: p 891-896 Hanaor, D.A.H and C.C Sorrell, Review of the anatase to rutile phase transformation Journal of Materials Science, 2010 46(4): p 855-874 Mohamed, M.M and K.S Khairou, Preparation and characterization of nano-silver/mesoporous titania photocatalysts for herbicide degradation Microporous and Mesoporous Materials, 2010 142(1): p 130-138 Pelaez, M., et al., A review on the visible light active titanium dioxide photocatalysts for environmental applications Applied Catalysis B, 2012 125: p 331-349 Schneider, J., et al., Understanding TiO2 Photocatalysis: Mechanisms and Materials Chemical Reviews, 2014 114(19): p 9919-9986 10 Lan, Y., Y Lub, and Z Ren, Mini review on photocatalysis of titanium dioxide nanoparticles and their solar applications Nano Energy, 2013 2(5): p 1031-1045 11 Nguyễn Thị Kim Giang, Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano met khảo sát khả quang xúc tác chúng Luận văn Thạc sỹ Khoa học 42 an 12 Abedini, A., et al., A review on radiation-induced nucleation and growth of colloidal metallic nanoparticles Nanoscale Research Letters, 2013 8(1): p 474 13 Mallakpour, S and E Nikkhoo, Surface modification of nano-TiO2 with trimellitylimido-amino acid-based diacids for preventing aggregation of nanoparticles Advanced Powder Technology, 2014 25(1): p 348-353 14 Zaleska, A., Doped-TiO2: A Review Recent Patents on Engineering, 2008 2(3): p 157-164 15 Cozzoli, P.D., A Kornowski, and a.H Weller, Low-Temperature Synthesis of Soluble and Processable Organic-Capped Anatase TiO2 Nanorods Journal of the American Chemical Society, 2003 125(47): p 14539-14548 16 Bragg, W.H and W.L Bragg, The Reflection of X-rays by Crystals Physical and Engineering Sciences, 1913 88(605): p 428-438 17 Nguyễn Diệu Thu, Nghiên cứu biến tính TiO2 cacbon sắt làm chất xúc tác quang hóa vùng ánh sáng trơng thấy Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2012: p 36-37 18 Lykos, P., The Beer-Lambert Law Revisited: A Development without Calculus Journal of Chemical Education, 1992 69(9): p 730-732 43 an S an K L 0