Tình hình nghiên cứu và sử dụng TiO2 biến tính với kim loại làm chất xúc tác quang hóa trên thế giới .... Cơ chế quang xúc tác của vật liệu TiO2 biến tính bề mặt bằng các hạt Ag .... Để
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN ANH THOA CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP TiO2/Ag ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ngành: Vật Lý Chất Rắn Mã số: 8840104 Người hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN NGHĨA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong đề án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tác giả đề án Nguyễn Anh Thoa LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn Nghĩa – người đã tận tâm và hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm đề án này Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức khoa học bổ ích và những kinh nghiệm nghiên cứu quý báu cho em trong quá trình em học tập Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn đồng hành, ủng hộ và tạo động lực để em tiếp bước trên con đường nâng cao kiến thức Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề án do kiến thức còn hạn chế và không có nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên đã không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong thầy cô xem và góp ý để đề án của em được hoàn thành một cách tốt nhất Em xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, ngày tháng năm 2023 Người viết Nguyễn Anh Thoa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài .1 2 Mục đích của đề tài .2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Cấu trúc đề tài .3 Chương 1 TỔNG QUAN 4 1.1 Giới thiệu về vật liệu nano TiO2 4 1.1.1 Cấu trúc 4 1.1.2 Tính chất quang xúc tác của TiO2 .6 1.1.3 Một số phương pháp tổng hợp TiO2 có cấu trúc nano 8 1.2 Tổng quan về biến tính vật liệu TiO2 .9 1.2.1 Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các nguyên tố kim loại .10 1.2.2 Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các nguyên tố phi kim 10 1.2.3 Ghép với các chất bán dẫn khác 11 1.3 Tổng quan về bạc (Ag) nano 11 1.3.1 Giới thiệu về Ag kích thước nano 11 1.3.2 Một số tính chất của Ag nano 12 1.3.3 Các phương pháp điều chế nano Ag .14 1.4 Ứng dụng các tính chất quang xúc tác của TiO2 15 1.4.1 Vật liệu tự làm sạch 15 1.4.2 Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường 16 1.4.3 Xử lý không khí ô nhiễm 16 1.4.4 Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm .17 1.5 Tình hình nghiên cứu .17 1.5.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng TiO2 biến tính làm chất xúc tác quang hóa trong nước 17 1.5.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng TiO2 biến tính với kim loại làm chất xúc tác quang hóa trên thế giới 18 1.6 Hợp chất màu hữu cơ Rhodamine B 19 1.6.1 Tính chất vật lí 20 1.6.2 Ứng dụng .20 1.6.3 Độc tính 20 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 22 2.1 Hóa chất và dụng cụ .22 2.1.1 Hóa chất 22 2.1.2 Dụng cụ 22 2.2 Chế tạo vật liệu .22 2.2.1 Chế tạo vật liệu nano TiO2 22 2.2.2 Tổng hợp TiO2 pha tạp bạc .23 2.3 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác bột TiO2 pha tạp Ag thông qua phản ứng phân hủy RhB 23 2.4 Khảo sát khả năng diệt khuẩn của TiO2/Ag trong môi trường nước 24 2.5 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 25 2.5.1 Hiển vi điện tử .25 2.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.5.3 Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis) 26 2.5.4 Phương pháp khuếch tán qua giếng thạch (well diffusion agar) 26 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Đặc trưng, tính chất của vật liệu 28 3.1.1 Cấu trúc 28 3.1.2 Vi cấu trúc .28 3.1.3 Phổ EDX của vật liệu tổng hợp được .30 3.1.4 Phổ UV-Vis- DRS của vật liệu .31 3.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu thông qua phản ứng phân hủy RhB 32 3.2.1 Xử lí RhB bằng đèn tử ngoại 33 3.2.2 Xử lí RhB bằng đèn xenon 34 3.2.3 Cơ chế quan xúc tác của vật liệu TiO2/Ag 36 3.3 Hoạt tính sinh học của vật liệu TiO2/Ag 37 KẾT LUẬN .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt tắt Diffuse Reflectance Spectroscopy Phổ phản xạ khuếch tán DRS Energy – dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng tia X EDX Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét SEM Transmission Electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRD Rhodamine B Rhodamine B RhB Methylene blue Methylene xanh MB Ultra Violet Tử ngoại UV Visible Khả kiến, nhìn thấy Vis DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số thông số vật lí của TiO2 ở ba dạng rutile, anatase và brookite 6 Bảng 1.2 Các tính chất lý – hóa cơ bản của Ag 11 Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố có phổ EDX 31 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu khi kích thích bằng đèn UV 33 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể rutile (trên) và anatase (dưới) 4 Hình 1.2 Cấu trúc bát diện của TiO6 5 Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang hóa TiO2 7 Hình 1.4 Các dạng cấu trúc của Ag nano 12 Hình 1.5 Quá trình chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp hóa khử 15 Hình 1.6 Công thức cấu tạo của RhB 20 Hình 2.1 Dung dịch RhB sau các khoảng thời gian quang xúc tác 24 Hình 3.1 Giản đồ XRD của mẫu TiO2 và các mẫu TiO2 biến tính Ag ở các thời gian khác nhau 28 Hình 3.2 Ảnh SEM của bột TiO2 thương mại 29 Hình 3.3 Ảnh SEM TiO2 ((a) và (b)) và ảnh TEM (c) sau quá trình thủy nhiệt, nung ở 600oC 29 Hình 3.4 Ảnh SEM TiO2/Ag20 ((a) và (b)) và ảnh TEM (c) tương ứng 30 Hình 3.5 Phổ EDX của vật liệu TiO2/Ag20 31 Hình 3.6 Phổ UV-Vis- DRS của các mẫu TiO2 và mẫu biến tính Ag với thời gian chiếu đèn lần lượt 10, 15, 20, 30 phút 32 Hình 3.7 Hiệu suất chuyển hóa RhB theo thời gian xử lí của các mẫu vật liệu 34 Hình 3.8 Hiệu suất chuyển hóa RhB theo thời gian xử lí khác nhau 34 Hình 3.9 Phổ UV-Vis của RhB theo thời gian chiếu xạ bằng Xenon với vật liệu xúc tác TiO2/Ag20 35 Hình 3.10 Cơ chế quang xúc tác của vật liệu TiO2 biến tính bề mặt bằng các hạt Ag 36 Hình 3.11 Kết quả hoạt tính sinh học của mẫu TiO2/Ag20 trên khuẩn E.Coli 37 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Nước giữ một vai trò đặc biệt trong đời sống sinh tồn và phát triển của con người cũng như các loài động thực vật khác trên Trái Đất Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, dầu khí, hóa dược, khai khoáng, điện tử, … nhằm đáp ứng các nhu cầu và nâng cao chất lượng đời sống của con người nhưng đó cũng là một trong những tác nhân chính gây tác hại tiêu cực cho tất cả các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là tài nguyên nước Nước thải từ hoạt động sản xuất công nghiệp có rất nhiều các anion gây ô nhiễm môi trường nước là Cl-, SO42-, PO43, Na+, K+ và vô số các hợp chất kim loại nặng mang độc tính cao như Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr, F, Mà theo Bộ Tài Nguyên Môi Trường (BTNMT) tổng lượng nước thải xả ra từ các khu công nghiệp trên toàn quốc đạt khoảng 3000000 m3/ 1 ngày đêm, trong đó có tới 70% nước xả thải trực tiếp ra kênh rạch, ao hồ mà chưa trải qua quá trình xử lý của một hệ thống xử lý nước thải nào Chúng sẽ hòa tan trong nước, khiến nguồn nước bị thay đổi tính chất theo chiều hướng có hại Do đó, đây cũng chính là một trong các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước điển hình nhất Bên cạnh đó, vấn đề bùng nổ dân số toàn cầu đã đẩy mạnh nhu cầu nước sạch để uống và sinh hoạt thông thường Đặc biệt, để đáp ứng nhu cầu lương thực, thực phẩm cho thế giới, rất nhiều thuốc trừ sâu, phân bón hóa được sử dụng trong nông nghiệp và hóa chất tồn dư khi này sẽ nhanh chóng đi vào sông suối, kênh rạch, ngấm xuống mạch nước ngầm và làm ô nhiễm nước sạch Để giải quyết những vấn đề ô nhiễm nước trên và giúp môi trường trong sạch hơn, các nhà khoa học đã và đang tập trung phát triển những quy trình xử lý nước mới nhằm đem lại hiệu quả, tiết kiệm, mạnh mẽ hơn Nổi lên trong những thập kỷ gần đây là công nghệ nano và các phương pháp xử lý nước bằng chất xúc tác nano với nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống [5] [8] [10] Trong đó, việc sử dụng vật liệu xúc tác quang hóa trong xử lý chất ô nhiễm đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi Nổi bật nhất là TiO2 vì vật liệu này có hoạt tính xúc tác cao, ổn định hóa học, không độc hại và rẻ tiền [5] [6] [8] Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng