Nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 mang Fe3O4

Báo cáo khoa học : Nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano tio2 mang fe3o4

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH ĐOÀN TP. HỒ CHÍ MINH TP. HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ  *  B B Á Á O O C C Á Á O O N N G G H H I I Ệ Ệ M M T T H H U U (Đã được chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu ngày 05-12- 2013) NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TiO 2 MANG Fe 3 O 4 Thủ trưởng Cơ quan chủ trì đề tài (Họ tên, chữ ký, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Quang Long Giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Phong Trang i MỤC LỤC Tóm tắt đề tài ii Danh sách chữ viết tắt iii Danh sách bảng iv Danh sách hình iv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 1.1. Thông tin chung về đề tài 1 1.2. Mục tiêu của đề tài 1 1.3. Nội dung của đề tài 1 1.4. Sản phẩm của đề tài 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 2.1. Các nghiên cứu ngoài nước 4 2.2. Các nghiên cứu trong nước 10 CHƯƠNG 3:NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14 3.1. Tổng hợp vật liệu TiO 2 mang trên Fe 3 O 4 14 3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác 24 3.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng xúc tác 27 CHƯƠNG 4:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 4.1. Kết quả phân tích đặc trưng vật liệu 28 3.3. Kết quả hoạt tính quang xúc tác 36 3.4. Kết quả khả năng tái sử dụng xúc tác 44 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 47 5.1. Kết luận 47 5.2. Đề nghị 47 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang ii Tóm tắt đề tài Với trữ lượng lớn về khoáng titan và vị trí gần xích đạo, Việt Nam có nhiều thuận lợi trong việc ứng dụng quá trình quang hóa. TiO 2 là một vật liệu được chứng minh là chất xúc tác quang hóa tốt cho ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn trong việc ứng dụng vật liệu này là khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu xúc tác sau phản ứng trong pha lỏng. Một phương pháp để giải quyết khó khăn này là sử dụng vật liệu từ tính. Trong nghiên cứu này vật liệu TiO 2 mang Fe 3 O 3 được tổng hợp bằng nhiều phương pháp. Cấu trúc và đặc trưng của vật liệu đươc đánh giá bằng các phương pháp phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), hấp phụ N 2 ở nhiệt độ thấp để xác định diện tích bề mặt riêng (BET), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Khả năng sử dụng vật liệu như một chất xúc tác quang hóa trong phân hủy chất hữu cơ trong nước được đánh giá bằng thiết bị phản ứng dạng mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu cũng kiểm tra hoạt tính xúc tác của xúc tác được thu hồi bằng nam châm sau phản ứng quang hóa. Abstract With large reserves of titanium and being located near the equator, Vietnam has advantages in applying photochemical processes. The powder TiO 2 has been proven as promising photocatalyst material for decomposition of organic pollution compounds in the aquatic environment. However, a serious obstacle of application of this material is that it is difficult to recover and re-use the catalyst after the reaction. One method to overcome this problem is to use magnetic catalytic materials. In this study TiO 2 containing Fe 3 O 4 materials has been synthesized by different procedures. The structure of the material is evaluated using modern methods such as X-ray diffraction (XRD), N 2 adsorption method at low temperature to determine the specific surface area (BET), transmission electron microscopy (TEM). The ability to be used as a photocatalyst in decomposition of organic compounds in water treatment was evaluated using a laboratory-scale batch reactor. The study also examined the activity of the used catalyst which collected by an external magnetic field after photocatalytic reactions. Trang iii Danh sách chữ viết tắt TEOS : Tetraethyl orthosilicate TTIP : Titanium isopropoxide EtOH : Ethanol IpOH : Isopropanol MO : Methyl dacam XRD : Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) TEM : Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmision electron microscope) BET : Phương pháp hấp phụ và giải hấp theo mô hình Brunauer–Emmett– Teller P25 : TiO 2 thương mại do công ty Degussa sản xuất TF : Mẫu xúc tác TiO 2 /Fe 3 O 4 TSF1 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 1 (tổng hợp bằng phương pháp 1) TSF2 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 2 (tổng hợp bằng phương pháp 2) TSF3 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 3 (tổng hợp bằng phương pháp 2, biến tính bề mặt lõi bằng phương pháp chế hóa bề mặt) TSF4 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 4 (tổng hợp bằng phương pháp 2, biến tính bề mặt lõi bằng phương pháp nhiệt) TSF5 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 5 (tổng hợp bằng phương pháp 2, biến tính bề mặt lõi bằng phương pháp nhiệt, lượng TTIP gấp đôi) TSF6 : Mẫu xúc tác TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 số 5 (tổng hợp bằng phương pháp 2, biến tính bề mặt lõi bằng phương pháp nhiệt, bọc TiO 2 2 lần) Trang iv Danh sách bảng Bảng 1: Tỉ khối và năng lượng vùng cấm TiO 2 8 Bảng 2: Đặc trưng của phổ ánh nắng mặt trời . 10 Bảng 3: Danh mục hóa chất- dụng cụ chính sử dụng trong nghiên cứu 14 Bảng 4:Các trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 15 Bảng 5: Bảng thông số pha chế dung dịch chuẩn 24 Bảng 6: Kết quả diện tích bề mặt riêng các vật liệu tổng hợp. 33 Bảng 7: Bảng tổng hợp kết quả 45 Danh sách hình Hình 1: Cơ chế xúc tác quang hóa trên TiO 2 4 Hình 2: Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO 2 5 Hình 3: Độ rộng và vị trí vùng cấm của một số chất bán dẫn . 6 Hình 4: Cấu trúc mạng Rutile của TiO 2 7 Hình 5: Cấu trúc mạng Anatase của TiO 2 7 Hình 6: Đồ thị biểu diễn số giờ nắng ở TP.HCM (nguồn: Cục thống kê). 10 Hình 7: Quy trình tổng hợp Fe 3 O 4 16 Hình 8: Quy trình tổng hợp SiO 2 /Fe 3 O 4 17 Hình 9: Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác TF 19 Hình 10: Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác TSF1 20 Hình 11: Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác TSF2 21 Hình 13: Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác TSF4 23 Hình 14: Mô hình hệ thống phản ứng quang hóa 26 Hình 15: Hệ thống phản ứng quang hóa tại Phòng Thí Nghiệm Xúc tác - ĐHBK 26 Hình 16: Máy phân tích UV-VIS tại Phòng Thí Nghiệm Xúc tác - ĐHBK 27 Hình 18: Kết quả nhiễu xạ XRD mẫu TF 29 Hình 19: Kết quả nhiễu xạ XRD mẫu TSF1 29 Hình 20: Kết quả nhiễu xạ XRD mẫu TSF2. 30 Hình 21: Kết quả nhiễu xạ XRD vật liệu TSF4. 30 Trang v Hình 22: Kết quả nhiễu xạ XRD vật liệu TSF3. 31 Hình 24: Kết quả hình ảnh TEM vật liệu nano Fe 3 O 4 . 33 Hình 25: Kết quả khảo sát từ trễ vật liệu nano Fe 3 O 4 bằng phương pháp VSM 34 Hình 26: Kết quả hình ảnh TEM vật liệu nano Fe 3 O 4 @TiO 2 (TF). 35 Hình 27: Kết quả hình ảnh TEM vật liệu nano Fe 3 O 4 @SiO 2 @TiO 2 (TSF1). 35 Hình 28: Kết quả hình ảnh TEM vật liệu nano TSF4. 36 Hình 29: Kết quả hình ảnh TEM vật liệu nano TSF5. 36 Hình 30: Phổ UV-VIS mẫu dung dịch sau phản ứng với xúc tác Fe 3 O 4 , TF, TSF1, P25 38 Hình 31: Quang phân hủy hợp chất methyl da cam. Điều kiện phản ứng: C MO , 0 = 50 ppm; hàm lượng xúc tác: 0,5g/L. 39 Hình 32: Phổ UV-VIS mẫu dung dịch sau phản ứng với xúc tác TSF2, TSF3, TSF4, TSF5 TSF6 40 Hình 33: Quang phân hủy hợp chất methyl da cam sử dụng các vật liệu xúc tác khác nhau. Điều kiện phản ứng: C MO , 0 = 50 ppm; hàm lượng xúc tác: 0,5g/L. 41 Hình 34: Quang phân hủy hợp chất methyl da cam sử dụng các hàm lượng xúc tác khác nhau. Điều kiện phản ứng: C MO , 0 = 50 ppm 42 Hình 35: Phổ UV-VIS kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất xúc tác 43 Hình 36: Kết quả khảo sát khả năng thu hồi các loại xúc tác khác nhau. 44 Trang 1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Thông tin chung về đề tài Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TiO 2 MANG Fe 3 O 4 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Quang Long Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ Thời gian thực hiện đề tài: 11/2012 – 11/2013 Kinh phí được duyệt: 80.000.000 đồng Kinh phí đã cấp: 72.000.000 đồng theo TB số : TB-SKHCN ngày / / 1.2. Mục tiêu của đề tài 1.2.1 Mục tiêu tổng quát: Mục tiêu tổng quát của đề tài là điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 . 1.2.2Mục tiêu cụ thể: Tổng hợp vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 . Phân tích các đặt trưng cấu trúc của vật liệu. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác và bước đầu đánh giá khả năng thu hồi của vật liệu. 1.3. Nội dung của đề tài STT Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện 1 Chế tạo và đánh giá vật liệu nano Fe 3 O 4 Chế tạo vật liệu nano Fe 3 O 4 bằng phương pháp đồng kết tủa và đánh giá vật liệu bằng phân tích TEM, XRD, BET 2 Chế tạo và đánh giá các đặc trưng xúc tác của vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 . Chế tạo vật liệu TiO 2 mang Fe 3 O 4 bằng các quy trình tổng hợp khác nhau.Đặc trưng xúc tác của vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 được đánh giá qua phân tích XRD, BET, TEM. Trang 2 3 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong điều kiện: Nồng độ đầu Methyl da cam (MO) là 50 ppm, nồng độ xúc tác 0,5 g/L ở nhiệt độ thường. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong điều kiện: Nồng độ đầu Methyl da cam (MO) là 50 ppm, nồng độ xúc tác 0,5g/L ở nhiệt độ thường. 4 Đánh giá bước đầu khả năng thu hồi chất xúc tác. Đánh giá bước đầu khả năng thu hồi chất xúc tác sau 2 lần sử dụng. 5 Viết bài báo tạp chí, hội nghị khoa học Viết 01 bài báo tạp chí (tạp chí KH&CN). 6 Viết báo cáo tổng kết Viết báo cáo tổng kết 1.4. Sản phẩm của đề tài TT Tên sản phẩm Số lượng Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật 1 Báo cáo phân tích 01 Bao gồm các quy trình tổng hợp vật liệu, kết quả phân tích đặc trưng vật liệu, hoạt tính xúc tác của vật liệu. 2 Bài báo 01 Đăng tạp chí hoặc hội nghị khoa học 3 Mẫu vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 2g Vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 với các đặc điểm: - Có từ tính (bị hút bởi nam châm) - Kích thước xác định bằng TEM trong khoảng 100-200 nm Trang 3 - Dạng tinh thể chính của TiO 2 xác định bằng XRD là Anatase. - Chuyển hóa 70% methyl da cam (MO) sau khoảng thời gian phản ứng là 03 giờ ở điều điều kiện nồng độ đầu MO 50 ppm, hàm lượng xúc tác 0,5 g/L ở nhiệt độ thường. 4 Số sinh viên đại học (đã tốt nghiệp) (Không có trong đăng ký) 02 Trang 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Các nghiên cứu ngoài nước 2.1.1. Quá trình quang xúc tác Quang hóa xúc tác là một trong những hướng nghiên cứu được phát triển rất mạnh mẽ xúc tác cho các quá trình quang hóa (quang xúc tác) là một trong những hướng nghiên cứu được phát triển rất mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Các ứng dụng chính của xúc tác quang hóa là trong xử lý môi trường (xử lý không khí và nước bị ô nhiễm), trong nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu và sử dụng năng lượng mặt trời, trong việc chế tạo các thiết bị tự làm sạch và tự diệt khuẩn khi để ngoài ánh sáng, và cuối cùng là trong việc quang tổng hợp các hợp chất đặc biệt [1]. Hình 1:Cơ chế xúc tác quang hóa trên TiO 2 [2]. Cơ chế quang xúc tác bắt đầu bằng sự hấp thu photon hv 1 với năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm (E band gap ) của TiO 2 (~3,2 eV đối với mạng anatase) để tạo ra cặp electron quang sinh và lỗ trống quang sinh trên bề mặt của hạt TiO 2 được mô tả như hình 1. [...]... Nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 mang Fe3O4 nhằm góp phần giải quyết khó khăn (ii) ở trên bằng cách nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 mang Fe3O4 và khảo sát hoạt tính quang xúc tác cũng như khả năng thu hồi và tái sử dụng vật liệu trong điều kiện phòng thí nghiệm Việt Nam Vật liệu này ở kích thước nano nhằm mục đích chính là tăng diện... PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh cũng khảo sát quá trình chế tạo và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Ti-SBA-16 [29] Với khả năng tạo bề mặt riêng lớn của vật liệu mao quản trung bình SBA-16, sự kết hợp này cũng cho thấy có sự tăng cường hoạt tính xúc tác quang hóa của vật liệu Nhóm nghiên cứu tại viện công nghệ vật liệu Việt Nam [30] chế tạo TiO2 và Co -TiO2 bằng phương pháp sol-gel và phun xạ cathod Tại Đại... dụng để khảo sát các hạt TiO2/ Fe3O4 Hoạt tính xúc tác quang hóa của các hạt đã được thử nghiệm làm giảm methyl blue dưới ánh sáng tia cực tím (254 nm) Kết quả chỉ ra rằng với hàm lượng càng tăng của TiO2, hoạt động quang xúc tác của các hạt nano composit tăng cường, trong khi từ tính của các hạt giảm Khi tỷ lệ phân tử của TiO2: Fe3O4 là khoảng 8, cả hai tính chất xúc tác quang và từ tính của TiO2/ Fe3O4. .. VIS của ánh sáng mặt trời Đây là một hướng nghiên cứu quan trọng Tuy nhiên, có khá ít các nghiên cứu để giải quyết khó khăn (ii) về thiết kế cấu trúc chất xúc tác, đặc biệt là khả năng thu hồi và tái sử dụng chất xúc tác quang hóa Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu để đáp ứng yêu cầu về thu hồi và tái sử dụng sẽ góp phần đưa ứng dụng quang xúc tác vào thực tế Đề tài Nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt. .. nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Hữu Hiểu đã báo cáo kết quả về việc bổ sung Y3+ vào TiO2 điều chế bằng phương pháp thủy phân và hoạt tính quang hóa của vật liệu này Kết quả cho thấy vật liệu có bổ sung Y3+ cho Trang 12 hoạt tính xúc tác tốt hơn so với TiO2 không biến tính trong vùng ánh sáng thấy được [31] Tuy nhiên, như đã trình bày có hai khó khăn chính trong quá trình ứng dụng vật liệu TiO2 làm xúc tác. .. về hoạt tính xúc tác cho các phản ứng quang hóa Vai trò của Fe3O4 với tính chất từ đặc biệt của mình là giúp cho quá trình thu hồi xúc tác dễ dàng bằng nam châm thông thường Theo hiểu biết của chúng tôi dựa trên các công trình nghiên cứu có công bố trên các tạp chí chuyên ngành thì chưa có công trình nào ở Việt Nam tiến hành điều chế và sử dụng loại vật liệu nano TiO2 mang Fe3O4 trong quang xúc tác. .. nghiên cứu chế tạo màng TiO2 làm xúc tác quang hóa phân hủy phenol trong vùng ánh sáng UV Nhóm tác giả kết luận phương pháp sử dụng thích hợp là nhúng phủ Nhóm cũng nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2 thương mại (P25) và kết luận P25 có khả năng khoáng hóa thuốc nhuộm xanh dưới ánh sáng UV [18] Vào năm 2005, TS.Trần T Đức và cộng sự tại Viện Vật lý ứng dụng – Viện KH&CN VN: Nghiên cứu. .. nên không thể hiện hoạt tính mạnh trong ánh sáng mặt trời (năng lượng ánh sáng trong dải UV chỉ khoảng 5%, phần còn lại là ánh sáng thấy được- visible light) Một ứng dụng của xúc tác TiO2 được nhóm nghiên cứu của tác giả Norby về phản ứng quang hóa của acetaldehyde và cơ chế quang xúc với vật liệu là Au /TiO2 nano core-shell dưới sự chiếu xạ tia UV và VIS Kết quả cho thấy Au /TiO2 hoạt động cao hơn cho... Nhóm nghiên cứu của giáo sư Dongling Ma và cộng sự tại Viện Nghiên cứu CNHH và Môi trườngCanada vào năm 2007 chế tạo vật liệu SiO2 mang FexOy bằng phương pháp sol gel Sự điều chỉnh nồng độ silane có thể khống chế bề dày của shell SiO2[14] Trang 9 Phương pháp hóa âm (sonochemical) được nhóm W Jiang và cộng sự tại Đại ng c Học Khoa Học và Công nghệ Trung Quốc – sử dụng để chế tạo vật liệu TiO2 mang c... Sau đó được rửa với những lượng dư nước và ethanol và để loại bỏ lượng hóa chất dư bám trên bề mặt vật liệu Sau khi rửa, sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 60 oC Vật liệu thu được là SiO2 /Fe3O4 3.1.3.3 Tổng hợp vật liệu TiO2 mang Fe3O4 Có hai phương pháp được tiến hành để tổng hợp vật liệu TiO2 mang Fe3O4 trong nghiên cứu này Phương pháp 1: Đầu tiên, vật liệu Fe3O4 được rửa nhiều lần với iso-propanol . cứu điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 ” nhằm góp phần giải quyết khó khăn (ii) ở trên bằng cách nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nano. hợp vật liệu nano TiO 2 mang Fe 3 O 4 . Phân tích các đặt trưng cấu trúc của vật liệu. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác và bước đầu đánh giá khả năng thu hồi của vật liệu. 1.3. Nội dung của. giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong điều kiện: Nồng độ đầu Methyl da cam (MO) là 50 ppm, nồng độ xúc tác 0,5 g/L ở nhiệt độ thường. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu