23 Hình 2.2: Hình ảnh một số thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt.. Năm 2009, Dự án JICA-JST được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác của
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN NHẬT LINH CHẾ TẠO VẬT LIỆU THANH NANO ZnO PHA TẠP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG BỘ LỌC CHO KHÍ H2S Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN MINH VƯƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Minh Vương Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì một công trình nào khác Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2023 Tác giả luận văn Trần Nhật Linh LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Minh Vương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi hoàn thành tốt luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và tạo điều kiện của Quý Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Quy Nhơn Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn K24B đã luôn động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì còn hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Bình Định, Ngày 10 tháng 10 năm 2023 Học viên Trần Nhật Linh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 2 LỜI CẢM ƠN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 8 DANH MỤC CÁC HÌNH 9 MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 4 3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu 4 4 Phương pháp nghiên cứu 4 5 Nội dung chính của luận văn 4 6 Bố cục của luận văn 5 NỘI DUNG 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 1.1 Vật liệu nano: 6 1.1.1 Một vài nét về vật liệu nano: 6 1.1.2 Phân loại vật liệu nano: 8 1.1.3 Ứng dụng vật liệu nano 9 1.2 Vật liệu nano ZnO: 12 1.2.1 Cấu trúc tinh thể ZnO: 12 1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng: 14 1.3 Vật liệu nano ZnO khi pha tạp Fe (ZnFe2O4) 16 1.4 Vật liệu ZnO ứng dụng trong xử lý H2S 18 1.4.1 Tổng quan về các đề tài nghiên cứu biogas xử lí H2S: 19 1.4.2 Tổng quan vật liệu ZnO ứng dụng xử lý H2S trong biogas 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1 Chế tạo vật liệu thanh ZnO 23 2.1.1 Hóa chất 23 2.1.2 Thiết bị thí nghiệm 23 2.1.3 Quy trình chế tạo 25 2.1.4 Đo các đặc trưng của vật liệu thanh nano ZnO 26 2.2 Chế tạo thanh nano ZnFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt 26 2.2.1 Hóa chất 26 2.2.2 Thiết bị thí nghiệm 27 2.2.3 Quy trình chế tạo 27 2.2.4 Đo các đặc trưng của vật liệu thanh nano ZnFe2O4 29 2.3 Hệ nghiên cứu quá trình hấp phụ khí H2S của vật liệu 29 2.3.1 Hóa chất 29 2 3.2 Thiết bị thực hiện 29 2.3.3 Quy trình kiểm tra độ hấp phụ 30 2.4 Các phương pháp đo 31 2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 31 2.4.3 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến (UV- Vis) 32 2.4.4 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X 34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Tính chất hình thái, cấu trúc, thành phần hoá học và tính chất quang của vật liệu thanh ZnO tinh khiết 35 3.1.1 Tính chất hình thái học của thanh ZnO tinh khiết 35 3.1.2 Tính chất cấu trúc của vật liệu ZnO tinh khiết 36 3.1.3 Kết quả nguyên cứu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) 37 3.1.4 Phổ hấp phụ của vật liệu ZnO ở các nhiệt độ thuỷ nhiệt khác nhau 38 3.2 Tính chất hình thái, cấu trúc, thành phần hoá học và tính chất quang của vật liệu thanh ZnO:Fe 39 3.2.1 Tính chất hình thái học của vật liệu ZnO:Fe 39 3.2.2 Tính chất cấu trúc của vật liệu ZnO:Fe 42 3.2.3 Kết quả nguyên cứu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) 43 3.2.4 Phổ hấp thụ quang học của vật liệu ZnO:Fe 44 3.3 Tính chất hấp phụ khí H2S của vật liệu ZnO và ZnO:Fe 45 3.3.1 Kết quả chụp ảnh quang học 45 3.3.2 Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X 48 3.3.3 Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ EDX Energy dispersive X-ray Spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy TEM Transmission Electron Microscope UV-Vis Ultraviolet-Visible XRD X-Ray Diffraction DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.2: Bảng độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu 7 Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng hạt nano hình cầu 7 Bảng 2.1: Hóa chất được sử dụng trong phong thí nghiệm 23 Bảng 2.2: Hóa chất được sử dụng trong phòng thí nghiệm: .26 Bảng 2.3: Nồng độ mol của các tiền chất khi thay đổi nồng độ pha tạp 27 Bảng 2.4: Hóa chất được sử dụng trong phòng thí nghiệm 29 Bảng 3.1 Sự thay đổi bờ dải năng lượng hấp thụ xác định từ Hình 3.15 .53 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể ZnO: a) Rocksalt, b) Blend 12 Hình 1.2: Cấu trúc kiểu wurzite lục giác xếp chặt 13 Hình 1.3 Vùng Brillouin mạng tinh thể ZnO 14 Hình 1.4 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng tinh thể lục giác wurtzite .15 Hình 1.5 Cơ chế quang xúc tác của vật liệu ZnO-ZnFe2O4 17 Hình 2.1: Quy trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt 23 Hình 2.2: Hình ảnh một số thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt 24 Hình 2.3: Sơ đồ chế tạo vật liệu thanh nano ZnO bằng phương pháp thuỷ nhiệt .25 Hình 2.4: Sơ đồ chế tạo vật liệu thanh nano ZnFe2O4 bằng phương pháp thuỷ nhiệt 28 Hình 2.5: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ khí H2S của vật liệu 30 Hình 3.1 Ảnh SEM của vật liệu thanh ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 90 oC (a), 120 oC (b) 150 oC (c) và 180 oC (d) với độ phóng đại 5k (hình chèn bên trong là ảnh SEM ở độ phóng đại cao hơn) 35 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thanh ZnO thủy nhiệt ở những nhiệt độ 90 C và 150 C 37 Hình 3.3: Phổ tán xạ năng lượng EDS của thanh ZnO thuỷ nhiệt tại 150 C 38 Hình 3.4: Phổ hấp phụ UV-Vis của các thanh ZnO tại các nhiệt độ thuỷ nhiệt khác nhau 39 Hình 3.5 Ảnh SEM của vật liệu ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 150 oC với hàm lượng Fe khác nhau: 5% (a và b), 10% (c và d) và 15% (e và f) với các độ phóng 5k (trái) và 40k (phải) .40 Hình 3.6 Ảnh SEM của vật liệu ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 150 oC với hàm lượng Fe khác nhau: 20% (a và b), 25% (c và d) và 30% (e và f) với các độ phóng 5k (trái) và 40k (phải) .41 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu ZnO:Fe thủy nhiệt ở 150 oC với hàm lượng Fe khác nhau 42 Hình 3.8 Phổ EDS của cấu trúc thanh nano ZnO pha tạp Fe với hàm lượng 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% 43 Hình 3.9 Sự phụ thuộc của tỉ lệ % về khối lượng của nguyên tố Fe có trong mẫu ZnO:Fe thu được từ kết quả đo EDS theo phần trăm tỉ lệ số mol n(FeSO4)/n(ZnSO4) trong quá trình chế tạo mẫu .44 Hình 3.10: Phổ hấp thụ quang học của vật liệu ZnO với các nồng độ pha tạp Fe khác nhau 45 Hình 3.11: Ảnh quang học vật liệu ZnO tinh khiết (a) trước và (b) sau khi cho khí H2S đi qua 46 Hình 3.12: Ảnh quang học vật liệu ZnO:Fe-30% (a) trước và (b) sau khi cho khí H2S đi qua Các ống , , trong hình (c) tương ứng với vật liệu được tách riêng từng phần tại các vị trí , , trong hình (b) 47 Hình 3.13: Ảnh quang học vật liệu ZnO:Fe-10% (a) trước và (b) sau khi cho khí H2S đi qua Các ống , , trong (b) tương ứng với vật liệu được tách riêng từng phần tại các vị trí khác nhau trong cột hấp phụ (như hình 3.13) 48 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thanh ZnO, ZnO:Fe-10% và ZnO:Fe- 30% trước và sau khi hấp phụ khí H2S 49 Hình 3.15: Phổ hấp phụ (trái) và sự phụ thuộc của (F(R)*h)2 vào năng lượng photon (h) (phải) của các mẫu ZnO, ZnO:Fe-10% và ZnO:Fe-30% trước và sau khi hấp phụ khí H2S .52