Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VŨ ĐÌNH HIỂN TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO SPINEL MnxCo1-xFe2O40 x 0,5 LUẬN VĂN THẠC
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VŨ ĐÌNH HIỂN TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO SPINEL MnxCo1-xFe2O4 (0 x 0,5) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VŨ ĐÌNH HIỂN TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA NANO SPINEL MnxCo1-xFe2O4 (0 x 0,5) Ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8 440 113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỊ TỐ LOAN THÁI NGUYÊN -2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Xác nhận củaTrưởng khoa VŨ ĐÌNH HIỂN Người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan i LỜI CẢM ƠN Luận văn đã được hoàn thành tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, khoa Hóa học - trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài Luận văn đã nhận được sự giúp đỡ thực hiện các phép đo của phòng thí nghiệm Hóa vô cơ - trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Khoa Hóa học - trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Phòng thí nghiệm siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, Viện Khoa học Vật liệu Xin cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn thành luận văn Sau cùng tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình tôi, bố mẹ tôi, anh em và họ hàng đã cho tôi động lực và quyết tâm hoàn thành bản luận văn Thái Nguyên, tháng 9 năm 2021 Tác giả luận văn VŨ ĐÌNH HIỂN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ CH Cacbohydrazin CS Combustion Synthesis EDX Energy dispersive X-ray Spectroscopy GPC Gas Phase Combustion IR Infrared spectra MB Methylene blue MDH Malonic dihydrazin acid ODH Oxalyl dihydrazin PGC Polimer Gel Combustion RhB Rhodamine B SEM Scanning Electron Microscopy SHS Self Propagating High Temperature Synthesis Process SSC Solid State Combustion TC Tetracycline TEM Transmission Electron Microscope TFTA Tetra formal trisazine UV-Vis Ultraviolet-Visible XRD X-Ray Diffraction AOPs Advanced oxidation process i MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ii Lời cảm ơn ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt i MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2 1.1 Giới thiệu về vật liệu spinel 2 1.1.1 Cấu trúc của vật liệu spinel 2 1.1.2 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano spinel 3 1.1.2.1 Phương pháp đồng kết tủa 3 1.1.2.2 Phương pháp thủy nhiệt 4 1.1.2.3 Phương pháp sol-gel 4 1.1.2.4 Phương pháp tổng hợp đốt cháy .6 1.1.3 Tình hình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của các nano ferit tinh khiết và ferit pha tạp ion kim loại .8 1.2 Giới thiệu về Rhodamine B 9 1.3 Phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) 10 1.3.1 Giới thiệu các quá trình oxi hóa nâng cao 10 1.3.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng xúc tác ferit trong các quá trình oxi hóa nâng cao hiện nay 13 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 17 2.1 Dụng cụ, hoá chất 17 2.1.1 Dụng cụ, máy móc .17 2.1.2 Hóa chất .17 2.2 Tổng hợp hệ vật liệu MnxCo1-xFe2O4 (x =0 ÷0,5) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch .17 2.3 Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 19 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 19 2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 20 ii 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua .21 2.3.4 Phương pháp tán xạ năng lượng tia X .22 2.3.5 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến 22 2.3.6 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến………………… 22 2.4 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ rhodamine B 24 2.5 Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy rhodamine B của các nano spinel 25 2.5.1 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ 25 2.5.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy rhodamine B của các mẫu 26 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen .27 3.2 Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phổ hồng ngoại 28 3.3 Kết quả nghiên cứu hình thái học của vật liệu 30 3.4 Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X 31 3.5 Kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến của mẫu 32 3.6 Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy rhodamine B của các mẫu 33 3.6.1 Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ 33 3.6.2 Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy rhodamine B của các mẫu 34 3.6.3 Động học của phản ứng phân hủy rhodamine B 37 KẾT LUẬN .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Thế oxi hoá của một số tác nhân oxi hoá thường gặp 11 Bảng 1.2.Một số phương pháp oxi hóa nâng cao phổ biến hiện nay đang sử dụng trong xử lý nước thải 12 Bảng 1 3 Hiệu suất phân hủy chất hữu cơ trong một số hệ xúc tác ferit 14 Bảng 2.1 Lượng chất ban đầu trong hệ MnxCo1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5) 18 Bảng 2 2 Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamine B .25 Bảng 3 1 Kích thước tinh thể (r), hằng số mạng (a) và thể tích ô mạng cơ sở (V) của các mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x= 0 ÷ 0,5) 28 Bảng 3 2 Số sóng của các liên kết M-O ở hốc tứ diện (ν1) và bát diện (ν2) 29 Bảng 3.3 Thành phần % khối lượng có trong mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x = 0 và 0,5) .32 Bảng 3.4 Hiệu suất phân hủy Rhodamine B khi có mặt H2O2 và các mẫu MnxCo1-xFe2O4 35 Bảng 3.5 Bảng giá trị ln(Co/Ct) theo thời gian khi có mặt H2O2 và các mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x =0 ÷ 0,5)………… … ………………………………………37 Bảng 3.6 Giá trị hằng số tốc độ phản ứng phân hủy RhB khi có mặt H2O2, các mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x =0 ÷ 0,5) và hệ số hồi qui của phương trình động học 38 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1 1 Minh họa cấu trúc tinh thể của spinel 2 Hình 1 2 Công thức cấu tạo (a) và phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch RhB (b) 10 Hình 1 3 Mẫu ZnFe2O4 trước và sau khi có từ trường tác dụng [32] 15 Hình 1 4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của ferit 15 Hình 2 1 Sơ đồ minh họa các bước tổng hợp mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x=0÷0,5) 18 Hình 2 2 Đường chuẩn xác định nồng độ RhB 25 Hình 3 1 Giản đồ XRD của mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x=0÷0,5) khi nung ở 600oC 27 Hình 3 2.a Phổ IR của mẫu CoFe2O4 (1) và Mn0,1Co0,9Fe2O4 (2) .29 Hình 3 3.b Phổ IR của mẫu Mn0,2Co0,8Fe2O4 (1) và Mn0,3Co0,7Fe2O4 (2) 29 Hình 3 4 c Phổ IR của mẫu Mn0,4Co0,6Fe2O4 (1) và Mn0,5Co0,5Fe2O4 (2) 29 Hình 3 5 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu CoFe2O4 30 Hình 3 6 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu Mn0,5Co0,5Fe2O4 .30 Hình 3 7 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu CoFe2O4 30 Hình 3 8 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu Mn0,5Co0,5Fe2O4 31 Hình 3 9 Phổ EDX của mẫu CoFe2O4 31 Hình 3 10 Phổ EDX của mẫu Mn0,5Co0,5Fe2O4 32 Hình 3 11 Phổ DRS của các mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x=0 và 0,5 32 Hình 3 12 Sự phụ thuộc của giá trị (αhν)2 vào năng lượng photon ánh sáng hấp thụ hν của mẫu MnxCo1-xFe2O4 (x=0 và 0,5) 33 Hình 3 13 Hiệu suất hấp phụ RhB theo thời gian khi có mặt mẫu CoFe2O4 33 Hình 3 14 Phổ UV-Vis của dung dịch RhB theo thời gian khi chỉ có mặt H2O2 (a), CoFe2O4 + chiếu sáng (b) .34 Hình 3 15 Phổ UV-Vis của dung dịch RhB theo thời gian chiếu sáng khi có mặt 34 Hình 3 16 Phổ UV-Vis của dung dịch RhB theo thời gian khi chiếu sáng 35 Hình 3 17 Phổ UV-Vis của dung dịch RhB theo thời gian chiếu sáng khi 35 Hình 3 18 Minh họa cơ chế quang xúc tác phân hủy RhB 36 Hình 3 19 Sự phụ thuộc ln(Co/Ct) vào thời gian khi có mặt H2O2 và các mẫu MnxCo1- xFe2O4 (x =0 ÷ 0,5) 38 v MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trường nước đang bị ô nhiễm trầm trọng do việc thải các chất hữu cơ, đặc biệt là thuốc nhuộm của nhiều ngành công nghiệp Một trong những phương pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề trên là phương pháp quang xúc tác Phương pháp này dựa trên việc sử dụng chất bán dẫn và nguồn sáng để thực hiện sự phân hủy các chất hữu cơ Đặc biệt nổi trội của phương pháp quang xúc là thân thiện với môi trường, có khả năng phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ ô nhiễm thành các chất vô cơ không độc hại như CO2 và H2O Một số chất bán dẫn thường được sử dụng trong quá trình quang xúc tác như TiO2, ZnO, WO3, ferit Các spinel ferit, với công thức chung là MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Zn ) là một trong những vật liệu quang xúc tác nhiều triển vọng do có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến và dễ dàng được tách ra khỏi hệ nhờ từ tính Các ferit đã được dùng làm chất xúc tác có hiệu quả cho nhiều phản ứng hóa học và phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm trong vùng ánh sáng khả kiến như metylen xanh, rhodamine B, metyl da cam, Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy, khi pha tạp một số ion kim loại, tính chất của ferit thay đổi đáng kể, nhất là hoạt tính quang xúc tác Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của ion Mn2+ đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của CoFe2O4, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel MnxCo1-xFe2O4 (0 x0,5)” 1