luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều chế khảo sát cấu trúc hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thước nano từ chất đầu ticl4 và amin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Hà Nội - 2011 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Sỹ Lương Hà Nội - 2011 z MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Giới thiêụ chung về công nghệ nano 1.1.1 Công nghệ nano vật liệu nano 1.1.2 Ứng dụng công nghệ nano 1.2 Giới thiêụ về vật liệu titan đioxit kích thƣớc nano 1.2.1 Cấu trúc TiO2 1.2.2 Giản đồ miền lượng anatase rutile 1.2.3 Sự chuyển pha TiO2 1.2.4 Tính chất hóa học titan đioxit 10 1.2.5 Các ứng dụng vật liệu TiO2 kích thước nm 11 1.3 Giới thiêụ về titan đioxit kích thƣớc nano đƣơ ̣c biế n tính bằ ng nito 15 1.3.1 Các kiểu TiO2 biến tính 15 1.3.2 Tính chất TiO2 kích thước nano biến tính nito 16 1.3.3 Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nano biến tính nitơ 18 1.4 Giới thiêụ về titan đioxit kích thƣớc nano đƣơ ̣c biế n tính bằ ng nito với tiền chấ t cung cấ p nito là hydrazine và hydroxylammine 21 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 23 2.1.1 Mục tiêu 23 2.1.2 Các nội dung nghiên cứu 23 2.2 Hóa chất thiết bị 23 2.2.1 Hóa chất 23 2.2.2 Dụng cụ thiết bị 24 2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thƣớc nano biến tính nitơ theo phƣơng pháp thuỷ phân từ chất đầu TiCl4 với có mặt hydrazine hydroxylammine 24 z 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 26 2.4.1 Phương pháp XRD 26 2.4.2 Phổ tán xạ tia X (EDX hoă ̣c EDS) 29 2.4.3 Kính hiển vi điện tử truyề n qua (TEM) [1] 30 2.4.4 Phương pháp khảo sát khả quang xúc tác titan đioxit31 2.4.5 Phương pháp tính hiệu suất q trình điều chế 34 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ nung 35 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 35 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydroxylammine 38 3.2 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ TiCl4 41 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 41 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 sử dụng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 43 3.3 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ hydrazine hydroxylammine 45 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ hydrazine 45 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ hydroxylammine 47 3.4 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian nung 49 3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian nung đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 49 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian nung đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydroxylammine 51 3.5 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian thủy phân 54 3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 54 3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2 sử du ̣ng chấ t đầ u cung cấ p N là hydroxylammine 56 z 3.6 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ thủy phân 58 3.6.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2 dùng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 58 3.6.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2 dùng chấ t đầ u cung cấ p N là hydroxylammine 59 3.7 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian lƣu mẫu trƣớc li tâm 60 3.7.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian lưu mẫu trước li tâm đến mẫu TiO2-N dùng chấ t đầ u cung cấ p N là hydrazine 60 3.7.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian lưu mẫu trước li tâm đến mẫu N-TiO2 dùng chấ t đầ u cung cấ p N là hydroxylammine 61 3.8 Khảo sát ảnh hƣởng điều kiện rửa 62 3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 62 3.8.2 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 63 3.9 Điề u chế bô ̣t N-TiO2 kích thƣớc nano với tiền chấ t cung cấ p N hydrazine hydroxylammine 64 3.9.1 Sơ đồ điề u chế 64 3.9.2 Thuyế t minh quy trin ̀ h 64 3.9.3 Kế t quả điề u chế theo quy trin ̀ h 65 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý tinh thể rutil anatase Bảng 1.2 Sản lượng titan đioxit giới qua số năm 11 Bảng 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 36 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 40 Bảng 3.3 Ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 43 Bảng 3.4 Ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 45 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nồng độ hidrazine đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 47 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nồng độ hydroxylammine đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 49 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian nung đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 51 Bảng 3.8 Ảnh hưởng thời gian nung đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 53 Bảng 3.9 Ảnh hưởng thời gian thủy phân đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 55 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin Bảng 3.10 Ảnh hưởng thời gian thủy phân đến đặc trưng sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 57 Bảng 3.11 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 58 Bảng 3.12 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 59 Bảng 3.13 Ảnh hưởng thời gian lưu mẫu trước li tâm đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 60 Bảng 3.14 Ảnh hưởng thời gian lưu mẫu trước li tâm đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 61 Bảng 3.15 Ảnh hưởng điều kiện rửa đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 62 Bảng 3.16 Ảnh hưởng điều kiện rửa đến hiệu suất phân hủy quang sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 63 Danh mục hình Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin Hình 1.2 Hình khối bát diện TiO2 Hình 1.3 Giản đồ miền lượng anatase rutil Hình 1.4 Lượng TiO2 sử dụng hàng năm lĩnh vực quang xúc tác 12 Hình 1.5 Sơ đồ khối mơ tả quy trình điều chế TiO theo phương pháp sol – gel 18 Hình 1.6 Cơng thức cấu tạo hydrazine 21 Hình 1.7 Cơng thức cấu tạo hydroxylamine 21 Hình 2.1 Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nano biến tính nito theo phương pháp thủy phân dung dịch từ TiCl có mặt hydrazine hydroxylamine 25 Hình 2.2 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 27 Hình 2.3 Xác định cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X 27 Hình 2.4 Nhiễu xạ kế tia X D8 – Advance 5005 (CHLB Đức) 28 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 31 Hình 2.6 Công thức cấu tạo xanh metylen 32 Hình 2.7 Thiết bị phản ứng phân hủy xanh metylen 33 Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine điều chế nhiệt độ nung khác 35 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 36 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine điều chế nhiệt độ nung khác 38 Hình 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 39 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine điều chế nồng độ TiCl4 khác 41 Hình 3.6 Ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 42 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin luan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin Hình 3.7 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine điều chế nồng độ TiCl khác 44 Hình 3.8 Ảnh hưởng nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 44 Hình 3.9 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế nồng độ hydrazine khác 46 Hình 3.10 Ảnh hưởng nồng độ hydrzine đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 46 Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế nồng độ hydroxylammine khác 48 Hình 3.12 Ảnh hưởng nồng độ hydroxylammine đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 48 Hình 3.13 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine điều chế thời gian nung khác 50 Hình 3.14 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydrazine 50 Hình 3.15 Giản đồ XRD mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine điều chế thời gian nung khác 52 Hình 3.16 Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen mẫu sản phẩm N-TiO2 dùng chất đầu cung cấp N hydroxylammine 52 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.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.aminluan.van.thac.si.nghien.cuu.dieu.che.khao.sat.cau.truc.hoat.tinh.quang.xuc.tac.cua.bot.titan.dioxit.kich.thuoc.nano.tu.chat.dau.ticl4.va.amin