luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu g c3n4 cofe2o4 graphen ứng dụng xử lý chất kháng sinh trong môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU g – C3N4/CoFe2O4/GRAPHEN ỨNG DỤNG XỬ LÝ CHẤT KHÁNG SINH TRONG MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Hóa lí thuyết hóa lí Mã số : 8440119 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Vƣơng Hồn e LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu đƣa luận văn trung thực, đƣợc đồng tác giả cho phép sử dụng chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Học Viên Nguyễn Thị Hà e LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Vương Hồn tận tình hƣớng dẫn , giúp đỡ động viên tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Thầy, Cơ mơn Hóa Học trƣờng Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện giúp đỡ thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy, Cô giáo, anh chị, bạn phịng thực hành thí nghiệm hóa học – Khu A6 ,trƣờng Đại Học Quy Nhơn giúp đỡ, tạo điều kiện hỗ trợ q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp cao học k22 ln động viên, khích lệ tinh thần tơi suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắn nhƣng cịn hạn chế kiến thức nhƣ thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu từ Thầy, Cơ để luận văn đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày tháng 12 năm 2021 Học Viên Nguyễn Thị Hà e MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu đề tài 3 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu graphen oxit graphen oxit dạng khử 1.1.1.Tổng quan graphen oxit (GO) 1.1.2 Graphen oxit dạng Graphen khử (Reduced Oxide: rGO) 1.1.3 Ứng dụng graphen oxit graphen 1.2 Vật liệu cobal ferrite CoFe2O4 10 1.2.1 Cấu trúc vật liệu ferrite spinel MFe2O4 10 1.2.2 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ferrite spinel MFe2O4 13 1.2.3.Ứng dụng ferrite spinel MFe2O4 14 1.3 Giới thiệu vật liệu cacbon nitride, g-C3N4 15 1.3.1 Cấu trúc vật liệu cacbon nitride, g-C3N4 15 1.3.2 Phƣơng pháp tổng hợp tình hình nghiên cứu g-C3N4 16 1.4 Giới thiệu vật liệu tổ hợp g-C3N4/CoFe2O4/graphen ứng dụng 19 1.5 Giới thiệu xúc tác quang 21 1.5.1 Khái niệm xúc tác quang 21 1.5.2 Cơ chế phản ứng quang xúc tác 22 1.6 Giới thiệu tetracyline 27 e CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Hóa chất dụng cụ 28 2.1.1 Hóa chất 28 2.1.2 Dụng cụ 28 2.2 Tổng hợp vật liệu 29 2.2.1 Tổng hợp graphen oxit graphen 29 2.2.2 Tổng hợp CoFe2O4 29 2.2.3 Tổng hợp vật liệu g- C3N4 30 2.2.4 Tổng hợp vật liệu CoFe2O4 /graphen g- C3N4/ CoFe2O4 /graphen 30 2.3 Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 30 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 30 2.3.2 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform – Infrared Spectrascopy, FT-IR) 32 2.3.3 Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UltravioletVisible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS) 33 2.3.4 Phƣơng pháp quang phổ tia X phân tán lƣợng (Energy Dispersive X ray Spectrocopy, EDX) 35 2.3.5 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 35 2.3.6 Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer-VSM) 36 2.3.7 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) 36 2.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu tổng hợp 36 2.4.1 Xây dựng đƣờng chuẩn 36 2.4.2 Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ 37 2.4.3 Khả xúc tác quang vật liệu phản ứng phân hủy TC37 2.4.4 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính xúc tác GCN/CF/rGO trình phân hủy TC 37 2.4.5 Khả thu hồi tái sử dụng vật liệu 38 2.5 Nghiên cứu động học trình xúc tác 39 2.6 Nghiên cứu chế phản ứng quang xúc tác 41 e CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Đặc trƣng vật liệu 43 3.1.1 Graphen oxit dạng khử (rGO), ferrite spinel (CF) vật liệu biến tính (CF/rGO) 43 3.1.2 Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 (GCN) 47 3.1.3 Đặc trƣng vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO 49 3.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang vật liệu 55 3.2.1 Xây dựng đƣờng chuẩn 56 3.2.2 Khảo sát thời gian đạt cân b ng hấp phụ 57 3.2.3 Khả xúc tác quang vật liệu phản ứng phân hủy TC58 3.2.4 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính xúc tác GCN/CF/rGO trình phân hủy TC 63 3.2.5 Quá trình thu hồi tái sử dụng vật liệu 66 3.3 Nghiên cứu động học phản ứng quang xúc tác vật liệu tổ hợp GCN/CF/rGO 67 3.4 Nghiên cứu chế phản ứng 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) e luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Nồng độ (mg/L) L : lít mg : miligam nm : nanomet GO : Graphen oxit (Graphene oxide) rGO : Graphen oxit dạng khử (Reduced graphene oxide) CF : Coban ferrite (CoFe2O4) GCN : Graphitic carbon nitride (g – C3N4) AOPs : Q trình oxi hóa nâng cao (Advance Oxidation Process) CB : Conduction band (Vùng dẫn) VB : Valance band (Vùng hóa trị) eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh) Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm) h⁺VB : Photogenerated hole (Lỗ trống quang sinh) IR : Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy) TC : Tetracyline SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) UV-Vis DRS : UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến) XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) EDX : Phƣơng pháp phổ tán xạ lƣợng tia X (Energy Dispersive X- Ray Spectroscopy) luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc e luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.Bán kính số ion kim loại 10 Bảng Phân bố ion vị trí cấu trúc spinel .11 Bảng 3.Thế oxi hóa chất oxy hóa điển hình 23 Bảng Danh mục hóa chất sử dụng khóa luận 28 Bảng 1.Thành phần phần trăm nguyên tố có vật liệu tổ hợp 51 Bảng 2.Thành phần phần trăm nguyên tố mẫu CF/rGO, GCN 0,2GCN/CF/rGO 55 Bảng 3.Giá trị lƣợng vùng cấm mẫu vật liệu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO 62 Bảng 4.H ng số tốc độ phản ứng theo mơ hình Langmuir-Hinshelwood 68 Bảng Hiệu suất phân hủy TC chất dập tắt (WO) 70 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc e luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Sơ đồ tạo graphen oxit từ graphit Hình Cấu trúc GO theo L M Sikhwivhilu Hình Mơ hình ảnh graphen Hình Sơ đồ tổng hợp graphen từ graphit Hình Cấu trúc tinh thể ferrite spinel 10 Hình Đƣờng M(H) với kích thƣớc khác (a) phụ thuộc lực kháng từ vào kích thƣớc hệ hạt nano Fe3O4 300 K (b) 12 Hình Đƣờng M(H) với kích thƣớc khác (a) phụ thuộc lực kháng từ vào kích thƣớc mẫu Co0,4Fe2,6O4(b) 12 Hình Mơ hình khối g-C3N4: triazine (trái), 16 Hình Sơ đồ minh họa trình tổng hợp g-C3N4 từ tiền chất 16 Hình 10 (a) Mạng lƣới g-C3N4; (b) Hình ảnh khối bột g-C3N4 (màu vàng); 17 Hình 11 Thế khử chuẩn g - C3N4 pH = 18 Hình 12 Cơ chế quang xúc tác vật liệu g-C3N4/ AgBr/ rGO 20 Hình 13 Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể 22 Hình 14 Sơ đồ biểu diễn chế oxi hóa 24 Hình 15 Sơ đồ biểu diễn chế khử 25 Hình 16 Cơ chế xúc tác quang vật liệu biến tính A B chất bán dẫn 26 Hình 17 Cơng thức cấu tạo Tetracyline (TC) 27 Hình Sơ đồ nhiễu xạ Rơnghen 31 Hình 2 Sơ đồ tia tới tia phản xạ mạng tinh thể 31 Hình Độ tù peak phản xạ gây kích thƣớc hạt 32 Hình 2.4 Hình ảnh minh họa xúc tác đƣợc thu hồi dƣới tác dụng từ trƣờng sau đƣợc tách 39 Hình Giản đồ XRD rGO (1), CF (2) 43 Hình Phổ FT-IR rGO(1), CF(2) CF/rGO (3) 44 Hình 3 Phổ EDX CF 45 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc e luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc Hình Ảnh SEM SEM-Mapping CF 45 Hình Phổ EDX CF/rGO 45 Hình Ảnh SEM, SEM-Mapping vật liệu CF/rGO 46 Hình Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ rGO; CF CF/rGO 46 Hình Đƣờng cong từ hóa CF (a); CF/rGO (b) 47 Hình Giản đồ XRD mẫu GCN 48 Hình 10 Phổ IR mẫu vật liệu GCN 49 Hình 11 Ảnh SEM (a) phổ EDX (b) vật liệu GCN 49 Hình 12 Ảnh SEM vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp tỉ lệ GCN:CF-rGO 0,2 (a); 0,5 (b) (c) 50 Hình 13 Phổ EDX vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp tỉ lệ GCN:CF-rGO 0,2 (a); 0,5 (b) (c) 51 Hình 14 Phổ IR vật liệu composite GCN/CF-rGO tổng hợp 52 Hình 15 Giản đồ XRD rGO (a); GCN (b), CF (c); CF/rGO (d) 53 Hình 16 Phổ IR rGO (a); GCN (b), CF (c); CF/rGO (d) 54 Hình 17 Phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX) CF/rGO (a), 55 Hình 18 Phổ UV-Vis TC 56 Hình 19 Đƣờng chuẩn TC 58 Hình 20 Dung lƣợng hấp phụ TC theo thời gian GCN, rGO, CF, CF/rGO 58 Hình 21 Đồ thị phụ thuộc Ct/C0 dung dịch TC theo thời gian phân hủy 59 Hình 22 Hiệu suất phân hủy TC xúc tác sau 240 phút chiếu sáng 59 Hình 23 Phổ UV-Vis DRS trạng thái rắn mẫu vật liệu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO 61 Hình 24 Đồ thị phụ thuộc hàm Kubelka - Munk vào lƣợng photon nh m ƣớc tính lƣợng vùng cấm Eg mẫu rGO, CF, GCN, CF/rGO, GCN/CF/rGO 62 Hình 25 Phổ UV-Vis sản phẩm trình phân hủy TC thời điểm chất xúc tác GCN/CF/rGO 64 Hình 26 Sự giảm Ct/Co TC theo thời gian thay đổi lƣợng chất xúc tác 63 luan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuocluan.van.thac.si.nghien.cuu.tong.hop.vat.lieu.g.c3n4.cofe2o4.graphen.ung.dung.xu.ly.chat.khang.sinh.trong.moi.truong.nuoc e