Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH THỊ HÀ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO/rGO ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ĐỂ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH THỊ HÀ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO/rGO ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ĐỂ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN, 10/2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH THỊ HÀ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO/rGO ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ĐỂ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Văn Tuấn TS Lê Tiến Hà THÁI NGUYÊN, 10/2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn, nghiên cứu khoa học của TS Phạm Văn Tuấn và TS Lê Tiến Hà Các số liệu được trình bày trong luận văn được thực hiện tại Viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu này hoàn toàn trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ nhóm tác giả nào Các kết quả trong luận văn này sẽ được tôi và các cộng sự đã và sẽ công bố trong thời gian tới là hoàn toàn trung thực Tác giả luận văn Đinh Thị Hà ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Phạm Văn Tuấn và TS Lê Tiến Hà - Các thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí của đề tài cấp bộ mã số B2023-BKA- 01 để thực hiện các nghiên cứu của luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn các thầy, cô, anh chị trong nhóm nghiên cứu Quang điện tử, Viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm và phân tích các kết quả số liệu trong luận văn này Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Viện Khoa học & Công nghệ và các cán bộ, nhân viên các phòng Đào tạo Sau đại học- Trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô giáo Trường THCS Hà Tu - nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học Xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp Cao học Quang học K15 Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá học Cuối cùng tôi xin được cảm ơn tới gia đình và người thân những người luôn ở bên cạnh ủng hộ, động viên để tôi có thể hoàn thành khóa học Tác giả luận văn Đinh Thị Hà iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 2 3 Phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Đối tượng nghiên cứu 3 6 Nội dung nghiên cứu 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO/rGO 4 1.2 Hình thái bề mặt của vật liệu nano ZnO/rGO 9 1.3 Phổ hồng ngoại FTIR của vật liệu nano ZnO/rGO 11 1.4 Phổ tán xạ Raman của vật liệu nano ZnO/rGO 12 1.5 Tính chất huỳnh quang của vật liệu ZnO/RGO 14 1.6 Phổ hấp thụ của vật liệu nano ZnO/rGO 16 1.7 Tính chất quang xúc tác vật liệu nano ZnO/rGO 17 1.8 Cơ chế quang xúc tác vật liệu nano ZnO/rGO 18 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 20 2.1 Chế tạo mẫu ZnO/rGO 20 iv 2.2 Các phương pháp phân tích tính chất của vật liệu ZnO/rGO 21 2.3 Kết luận chương 2 26 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu 28 3.2 Hình thái bề mặt và kích thước hạt vật liệu 29 3.3 Phổ hồng ngoại FTIR của các mẫu ZnO/rGO 30 3.4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu ZnO/rGO 32 3.5 Phổ hấp thụ của mẫu ZnO/rGO 34 3.6 Tính chất huỳnh quang của vật liệu nano ZnO/rGO 36 3.7 Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano ZnO/rGO 38 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của GO, rGO, ZnO và ZnO/rGO [14] 7 Hình 1.2 Đặc tính XRD (A) Phổ XRD của NP ZnO tinh khiết và NC ZnO- RGO (B) Phổ XRD của RGO [33] 8 Hình 1.3 Các mẫu XRD của RGO-1, RGO-2, RZ0 và RZ5 [34] 9 Hình 1.4 Ảnh FESEM của (A) mẫu ZnO nguyên chất (B) Mẫu ZnO-RGO (C) Thành phần nguyên tố được xác định bởi SEM Mũi tên màu vàng biểu thị các tấm RGO và các vòng tròn màu xanh lá cây biểu thị các NP ZnO [33] 10 Hình 1.5 Ảnh SEM của (a) tấm nano RGO, (b) RZ2 CSN và (c) EDS của RZ2 [34] 11 Hình 1.6 Phổ hồng ngoại FTIR của ZnO-RGO [35] 12 Hình 1.7 Phổ tán xạ Raman của mẫu ZnO và ZnO/rGO [14] 13 Hình 1.8 Phổ Raman của (a) RGO-1 và (b) RGO-2 [34] 14 Hình 1.9 Phổ huỳnh quang của mẫu ZnO và ZnO/rGO [14] 14 Hình 1.10 Phổ PL ở nhiệt độ phòng từ các vật liệu tổng hợp ZnO NR, rGO (S0) và ZnO/rGO (S1–S5) [37] 15 Hình 1.11 Phổ hấp thụ của mẫu ZnO và ZnO/rGO [14] 16 Hình 1.12 Phổ hấp thụ UV-vis của bốn mẫu (ZnO, rGO/ZnO, ZnO/Pd và rGO/ZnO/Pd) [38] 17 Hình 1.13 a) Phổ quang xúc tác của mẫu ZnO/rGO (20%) và (b) sự thay đổi C/C0 của các mẫu ZnO và ZnO/rGO theo thời gian chiếu sáng [14] 18 Hình 1.14 Cơ chế phân hủy quang xúc tác của ZnO/rGO [13] 18 Hình 2.1 Ảnh SEM của vật liệu GO 20 Hình 2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu GO 20 Hình 2.3 Hệ đo nhiễu xạ tia X 22 Hình 2 4 Hệ hiển vi điện tử quét 23 vi Hình 2 5 Máy đo phổ hấp thụ UV-Vis (V650 JASCO) 24 Hình 2.3 Máy đo phổ hấp thụ UV-Vis (V650 JASCO) 24 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnO/rGO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau 28 Hình 3.2 Ảnh SEM của các mẫu ZnO/rGO với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau 30 Hình 3.3 Phổ FTIR của các mẫu ZnO/rGO với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau 31 Hình 3.4 Phổ FTIR của các mẫu ZnO/rGO với nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau 32 Hình 3.5 Phổ tán xạ Raman của các mẫu ZnO/rGO với nhiệt độ thủy nhiệt 100oC 33 Hình 3.6 Phổ tán xạ Raman của các mẫu ZnO/rGO tổng hợp ở 150 oC và 180 oC 34 Hình 3.7 Phổ hấp thụ của các mẫu ZnO/rGO với các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau 35 Hình 3.8 Phổ hấp thụ của các mẫu ZnO/rGO tổng hợp ở 150 oC và 180 oC 36 Hình 3.9 Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnO/rGO tổng hợp ở 100 oC 36 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang của mẫu ZnO/rGO tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau 37 Hình 3.11 Phổ UV-vis của MB có mặt ZnO/rGO tổng hợp ở nhiệt độ 100 oC với thời gian chiếu sáng khác nhau 38 Hình 3.12 Phổ UV-vis của MB có mặt ZnO/rGO tổng hợp ở nhiệt độ 150 oC với thời gian chiếu sáng khác nhau 39 Hình 3.13 Phổ UV-vis của MB có mặt ZnO/rGO tổng hợp ở nhiệt độ 180 oC với thời gian chiếu sáng khác nhau 39 Hình 3.14 Cường độ đỉnh hấp của MB có mặt ZnO/rGO với thời gian thủy nhiệt khác nhau theo thời gian chiếu sáng 40 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X Phổ quang phát quang PL Photoluminescence spectrum Phồ hồng ngoại Fourier FTIR Fourier-transform infrared spectroscopy SEM Scanning electron Microscopy Ảnh hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Tia tử ngoại NR Nanorod Thanh nano NP Nanoparticles Hạt nano GO Graphen ocide Than hoạt tính 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng Vấn đề xử lý môi trường ngày càng được quan tâm nghiên cứu [1–3] Một trong các phương pháp xử lý môi trường là phương pháp quang xúc tác [4–6] Phương pháp quang xúc tác là phương pháp sử dụng vật liệu quang xúc tác để phân hủy các chất gây ô nhiễm môi trường dưới tác dụng của ánh sáng [7,8] Khi chiếu ánh sáng vào dung dịch chứa vật liệu quang xúc tác, các điện tử và lỗ trống hình thành và tham gia vào các phản ứng hóa học phân hủy các chất gây ô nhiễm môi trường như methylene blue, phenol, rhodamine B [7– 11] Phương pháp này có nhiều ưu điểm như nhanh, sạch, rẻ và tiết kiệm năng lượng Nhiều vật liệu quang xúc tác khác nhau được nghiên cứu như ZnO [12– 14], SnO2 [15–18], TiO2 [13,17,19–21] … Trong các vật liệu này, vật liệu ZnO là một trong các vật liệu oxit bán dẫn quang xúc tác phổ biến và hiệu quả nhất vì ZnO là vật liệu vùng cấm thẳng và có năng lượng exciton lớn khoảng 60 meV Hơn nữa, cấu trúc nano ZnO có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp thủy nhiệt [21–23], phương pháp đồng kết tủa Tuy nhiên, vật liệu ZnO lại có nhược điểm là tốc độ tái hợp hạt tải cao làm cho hiệu suất quang xúc tác giảm đáng kể Do đó, vật liệu ZnO không phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác với ánh sáng trong vùng nhìn thấy Các nghiên cứu cho thấy rằng để tăng khả năng quang xúc tác của vật liệu ZnO trong vùng nhìn thấy người ta kết hợp chúng với những vật liệu khác như rGO [12,24–26], các hạt nano từ [27,28], các vật liệu có khả năng quang xúc tác khác [17] hoặc pha tạp vào mạng nền ZnO bằng những kim loại chuyển tiếp hoặc ion đất hiếm [29,30] để giảm tốc độ tái hợp của hạt tải Trong số những phương pháp trên thì việc kết hợp vật liệu ZnO với rGO được nhiều nhà khoa học chọn lựa bởi vật liệu nano ZnO/rGO có nhiều ưu điểm trong việc