luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều chế khảo sát cấu trúc hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thước nano được biến tính neođim

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN KHANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH NEOĐIM Chun ngành: HĨA VƠ CƠ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ SỸ LƯƠNG Hà nội, năm 2011 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN KHANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH NEOĐIM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà nội, năm 201 z Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Mục Lục Nội dung Trang MỞĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu TiO2 kích thước nano 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc tính chất vật lý TiO2 kích thước nano 1.1.2 Một số tính chất quan trọng vật liệu TiO2 kích thước nano 1.1.3 Các ứng dụng TiO2 kích thước nano mét 1.2 Giới thiệu chung vật liệu TiO2 kích thước nano biến tính 12 1.2.1 Phân loại quang xúc tác sở TiO2 kích thước nano 12 1.2.2 Sự biến tính vật liệu TiO2 kích thước nano mét 12 1.2.3 Vật liệu TiO2 nano biến tính neođim 14 1.2.4 Các phương pháp điều chế bột TiO2 kích thước nanomet 15 Chương 2: THỰC NGHIỆM 19 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn 19 2.1.1 Mục tiêu luận văn 19 2.1.2 Các nội dung nghiên cứu luận văn 19 2.2 Phương pháp nghiên cứu 19 2.3 Hoá chất, dụng cụ thiết bị 20 2.3.1 Hóa chất 20 2.3.2 Dụng cụ thiết bị 20 2.3.3 Pha mẫu 20 2.4 Điều chế bột TiO2 biến tính Nd3+ phương pháp sol-gel 21 2.5 Điều chế bột TiO2 biến tính Nd3+ phương pháp thủy phân 22 2.6 Phương pháp khảo sát khả phân hủy quang xanh metylen dung dịch nước bột TiO2 biến tính 24 2.7 Các phương pháp hóa lý dùng để nghiên cứu cấu trúc đặc tính bột Nd-TiO2 biến tính 26 z Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học 2.7.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 26 2.7.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 2.7.3 Phương pháp phân tích nhiệt 28 2.7.4 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 29 2.7.5 Phương pháp BET 30 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Điều chế Nd-TiO2 phương pháp sol-gel 31 3.1.1 Khảo sát q trình phân hủy nhiệt gel khơ phương pháp phân tích nhiệt 31 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian làm già gel 32 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ sấy 34 3.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung 37 3.1.5 Ảnh hưởng tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 40 3.2 Điều chế Nd-TiO2 phương pháp thủy phân 46 3.2.1 Khảo sát trình phân hủy nhiệt mẫu TiO2 Nd-TiO2 46 3.2.2 Ảnh hưởng lượng urê 47 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian thủy phân 49 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung 52 3.2.5 Ảnh hưởng tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 55 Kết luận 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 71 z Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU I Danh mục hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 Hình 1.2 Hình khối bát diện TiO2 Hình1.3 Cơ chế trình quang xúc tác vật liệu TiO2 chiếu sáng Hình 1.4 Các góc tiếp xúc chất lỏng bề mặt thấm ướt Hình 1.5 Nguyên tắc phân chia nước sử dụng chất quang xúc tác TiO2 11 Hình 2.1 sơ đồ mơ tả trình thực nghiệm điều chế bột TiO2 biến tính neođim phương pháp sol-gel 21 Hình 2.2 sơ đồ mơ tả q trình thực nghiệm điều chế bột TiO2 biến tính Nd phương pháp thủy phân 23 Hình 2.3 Quang phổ đèn Compact Goldstar 24 Hình 2.4 Đường chuẩn dung dịch xanh metylen 25 Hình 2.5 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 26 Hình 2.6 Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance 5005 (CHLB Đức) 27 Hình 2.7 Ngun lý hoạt động kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 khơng biến tính 31 Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 0,025% (mol/mol) 31 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel 32 Hình 3.4 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang thời gian làm già gel 34 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 theo có nhiệt độ sấy gel khác 35 Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang z luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học nhiệt độ sấy gel 37 Hình 3.7 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 với nhiệt độ nung khác 38 Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang nhiệt độ nung 39 Hình 3.9 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ pha tạp khác 40 Hình 3.10 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang tỷ lệ Nd/TiO2 42 Hình 3.11 Phổ EDX mẫu TiO2 khơng biến tính 43 Hình 3.12 Phổ EDX mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ % Nd/TiO2 = 0,025% 43 Hình 3.13 Ảnh TEM mẫu TiO2 khơng biến tính 44 Hình 3.14 Ảnh TEM mẫu TiO2 có biến tính Nd tỷ lệ 0,025% (mol/mol) 44 Hình 3.15 Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính Neođim phương pháp sol-gel Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 khơng biến tính 45 46 Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 0,025% (mol/mol) 46 Hình 3.18 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 với lượng urê khác 47 Hình 3.19 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang lượng urê 49 Hình 3.20 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác 50 Hình 3.21 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang 52 thời gian thủy phân Hình 3.22 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác 53 luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim z luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.23 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang nhiệt độ nung 55 Hình 3.24 Giản đồ XRD mẫu Nd-TiO2 với tỷ lệ Nd/TiO2 khác 56 Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 58 Hình 3.26 Phổ EDX mẫu khơng biến tính 58 Hình 3.27 Phổ EDX mẫu biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 0,025% (mol/mol) 58 Hình 3.28 Ảnh TEM mẫu khơng biến tính 59 Hình 3.29 Ảnh TEM mẫu biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 0,025% (mol/mol) 59 Hình 3.30 Giản đồ BET mẫu TiO2 khơng biến tính 60 Hình 3.31 Giản đồ BET mẫu Nd-TiO2 60 Hình 3.32 Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính Neođim phương pháp thủy phân 61 II Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý tinh thể rutile anatase Bảng 2.1 Nồng độ xanh metylen độ hấp thụ 25 Bảng 3.1 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel khác 33 Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel khác 33 Bảng 3.3 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ sấy gel khác 35 Bảng 3.4 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ sấy gel khác 36 Bảng 3.5 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim z 38 luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Bảng 3.6 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác 39 Bảng 3.7 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 tỷ lệ pha tạp khác 41 Bảng 3.8 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác 42 Bảng 3.9 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 với lượng urê khác 48 Bảng 3.10 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có lượng urê khác 48 Bảng 3.11 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác 50 Bảng 3.12 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác 51 Bảng 3.13 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 theo nhiệt độ nung 54 Bảng 3.14 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác 54 Bảng 3.15 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ Nd/TiO2 khác 56 Bảng 3.16 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ Nd/TiO2 khác luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim z 57 luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ABS: Độ hấp thụ BET: Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng DTA: Phương pháp nhiệt vi sai EDX: Phổ tán xạ lượng tia X Nd-TiO2: Titan đioxit biến tính neođim TEM: Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TGA: Phương pháp nhiệt trọng lượng UV-Vis: Phương pháp phổ khuếch tán phản xạ XM : Xanh metylen XRD: Phương pháp nhiễu xạ tia X Ti(OBu)4: Tetra-n-butyl orthotitanate TiOSO4: Titanium(IV) oxysulfate hydrate luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim z luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Mặt trời cung cấp cho bề mặt trái đất lượng lượng khổng lồ vào khoảng 3.1024 J/năm Việc nghiên cứu chuyển hóa có hiệu nguồn lượng thành dạng hữu dụng khác phục vụ đời sống người thách thức phát triển nghiên cứu khoa học công nghệ tương lai Một hướng nghiên cứu sử dụng chất bán dẫn có khả quang xúc tác để chuyển hóa lượng ánh sáng mặt trời thành lượng điện hóa học Titan đioxit (TiO2) chất xúc tác bán dẫn Gần kỷ trở lại đây, bột TiO2 với kích thước cỡ µm điều chế quy mô công nghiệp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn cao su, nhựa, giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ… [24, 29, 32, 47] Gần đây, vật liệu dạng bột, dạng sợi, dạng màng TiO2 tinh thể kích thước nm dạng thù hình rutile, anatase hỗn hợp rutile, anatase brookite nhiều nhà nghiên cứu nước quan tâm khả ứng dụng chúng nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất xúc tác điều chế nhiều hợp chất hữu [32], làm xúc tác quang hoá xử lý môi trường, chế sơn tự làm sạch, làm vật liệu chuyển hoá lượng pin mặt trời, sử dụng dược phẩm[17, 18, 21, 34] Các ứng dụng vật liệu TiO2 kích thước nm chủ yếu dựa vào tính chất bán dẫn Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền không độc, vật liệu TiO2 cho vật liệu triển vọng để giải nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường TiO2 đồng thời hy vọng mang đến lợi ích to lớn vấn đề khủng hoảng lượng qua sử dụng lượng mặt trời dựa tính quang điện thiết bị phân tách nước Tuy nhiên, dải trống titan đioxit lớn (3.25eV anatase 3.05 eV rutile) nên ánh sáng tử ngoại gần với bước sóng < 380nm kích thích điện tử từ vùng hố trị lên vùng dẫn gây tượng luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodimluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.duoc.bien.tinh.neodim z