Nghiên cứu tổng hợp spinel znfe2o4 bằng phương pháp đốt cháy và thử kha quang xúc tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ANH QUỐC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SPINEL ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ THỬ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VINH, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ANH QUỐC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SPINEL ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ THỬ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG VINH, 2014 LỜI CẢM ƠN! Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Dũng đã tạo điều kiện, hướng dẫn, giúp đỡ để tôi hoàn thành bản Luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo khoa Hóa đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quí thầy cô phòng thí nghiệm Hóa vô cơ, phòng thí nghiệm Hoá lý trường Đại học Vinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của quí thầy cô phòng thí nghiệm Hoá lý, trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội, trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Khoa học vật liệu thành Phố Hồ Chí Minh. Xin chân thành cảm ơn! Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè và người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả Luận văn Nguyễn Anh Quốc MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT i,ii DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iv MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1 Giới thiệu chung về spinel 4 1.2 Các ứng dụng của spinel 4 1.2.1 Khả năng chữa bệnh 4 1.2.2 Làm đồ trang sức 4 1.2.3 Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị 5 1.2.4 Ứng dụng trong sản xuất pin 5 1.2.5 Xử lý nước 5 1.2.6 Vật liệu xúc tác 5 1.2.7 Vật liệu chịu lửa 5 1.3 Spinel ZnFe 2 O 4 6 1.4 Vật liệu nano 7 1.4.1 Khái niệm vật liệu nano 7 1.4.2 Công nghệ nano 10 1.4.3 Hóa học nano 10 1.4.4 Ứng dụng của công nghệ nano 11 1.4.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano 14 1.5 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 20 1.5.1 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA-DTG) 20 1.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 21 1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử (SEM, TEM) 23 1.5.4 Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR 26 1.5.5 Phương pháp phổ hấp thụ electron (UV-VIS) 27 1.5.6 Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của ZnFe 2 O 4 …….28 1.5.7 Phương pháp BET 28 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 31 2.1.Hoá chất 31 2.2. Chuẩn bị dụng cụ và thiết bị 31 2.3. Chuẩn bị dung dịch 32 2.3.1. Dung dịch Zn(NO 3 ) 3 1M 32 2.3.2. Dung dịch Fe(NO 3 ) 3 1M 32 2.3.3. Dung dịch Xanh metylen 100 ppm 32 2.4. Tổng Hợp ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy………………….…32 2.5. Các phương pháp đánh giá vật liệu 33 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1. Phân tích nhiệt 34 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 35 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng glyxin cho vào gel 39 3.4. Xác định một số đặc trưng vật liệu 42 3.5. Phổ hấp thụ UV-VIS 43 3.6. Thử khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu 44 3.6.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen 45 3.6.2 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phân hủy xanh metylen 46 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Mật độ quang. BET Phương pháp xác định bề mặt riêng Brunauer, Emmett, Teller CH Cacbohydrazit CS Tổng hợp đốt cháy DM Nghịch từ DTA Phân tích nhiệt vi sai DTG Đường nhiệt trọng lượng vi phân Eg Năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn FACS Tổng hợp đốt cháy được kích hoạt bằng trường điện từ. FM Sắt từ FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier IR Phương pháp phổ hồng ngoại HMT Hexametylentetramin MB Methylenen blue. ODH Oxalylhidrazit PAA Polyacrylic acid PM Thuận từ SHS Quá trình tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao. SSC Đốt cháy pha rắn. SC Phương pháp đốt cháy dung dịch. SEM Kính hiển vi điện tử quét SPM Siêu thuận từ TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua TGA Phân tích nhiệt trọng lượng XRD Nhiễu xạ tia X i UV-VIS Phương pháp phổ hấp thụ electron. ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số vật liệu được điều chế bằng đốt cháy dung dịch 19 Bảng 1.2. Một số hợp chất được điều chế theo phương pháp đốt cháy gel 20 Bảng 3.1. Kích thước hạt tinh thể của mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau 38 Bảng 3.2. Các hằng số mạng của mẫu khi nung ở các nhiệt độ khác nhau….38 Bảng 3.3. Kích thước hạt tinh thể của mẫu điều chế với hàm lượng glyxin cho vào khác nhau…………………………………………….41 Bảng 3.4. Các hằng số mạng của mẫu điều chế với hàm lượng glyxin cho vào khác nhau…………………………………………….42 Bảng 3.5. Số liệu xây dựng đường chuẩn xanh metylen…………………….45 Bảng 3.6. Hiệu suất phân hủy xanh metylen theo thời gian chiếu xạ 47 Bảng 3.7 Biến thiên Ln(C/Co) theo thời gian 48 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tinh hốc T và hốc O của tinh thể spinel 6 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương trong mỗi tế bào 7 Hình 1.3. Sơ đồ tóm tắt phương pháp sol - gel 15 Hình 1.4. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn khi tia X lan truyền trong chất rắn 22 Hình 1.5. Nhiễu xạ kế tia X 23 Hình 1.6. Kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM) 25 Hình 1.7. Thiết bị đo khả năng quang xúc tác.28 Hình 1.8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(P 0 -P) vào P/P o 30 Hình 3.1 Phân tích nhiệt độ nung 34 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 300 0 C 35 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 400 0 C 36 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 500 0 C 36 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 600 0 C 37 Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 800 0 C 37 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu R2 40 Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu R3 40 Hình3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu R4 41 Hình 3.10 Ảnh TEM của mẫu điều chế ở điều kiện tối ưu 43 Hình 3.11 Phổ hấp thụ UV-VIS của ZnFe 2 O 4 ở 400 0 C 44 Hình 3.12 Phổ hấp thụ UV-VIS của ZnFe2O4 ở 500 0 C 44 Hình 3.13 Đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen 45 Hình 3.14 Hiệu suất phân hủy MB theo thời gian chiếu xạ 47 Hình 3.15 Sự phụ thuộc Ln(C/Co) vào thời gian 48 iv MỞ ĐẦU Vật liệu nano là một lĩnh vực nghiên cứu được rất nhiều nhà khoa học quan tâm trong thời gian gần đây, điều đó thể hiện qua nhiều công trình nghiên cứu, các phát minh sáng chế và nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ nano ra đời phục vụ cho con người. Sự phát triển của khoa học kĩ thuật gắn liền với sự phát triển của vật liệu. Hiện nay, khoa học kĩ thuật đang phát triển theo hướng tạo ra những vật liệu nhỏ gọn nhưng có những tính năng tuyệt vời. Theo đó thì vật liệu nano (1-100nm) đã phát triển và giữ vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực vật lý, hoá học, sinh học, dạng vật liệu này đã mở ra cho khoa học kĩ thuật một con đường mới do những ứng dụng vô cùng đặt biệt của nó mà các vật liệu dạng khối không thể nào có được. Hơn thế nữa công nghệ nano cho phép tổng hợp các hạt có kích thước rất mịn (cỡ nano) và điều khiển cấu trúc của vật liệu như: hình dáng và kích thước lỗ xốp, nhằm tạo ra sản phẩm có tính chất mong muốn để có thể áp dụng vào hầu hết các lĩnh vực của khoa học đời sống như chế tạo dược mỹ phẩm, thiết bị áp điện, pin nhiên liệu, sensor đặc biệt là xúc tác quang hóa. Spinel tinh thể được biết đến nhiều trước đây vì dùng làm đá quý. Nhiều viên ruby nổi tiếng trên trang sức và vương miện của vua chúa thực chất là spinel đỏ. Sau này, spinel được ứng dụng trong điều trị bệnh, sản xuất pin sạc, làm vật chịu lửa, Trong số các loại spinel, spinel ferit MeFe 2 O 4 (Me = Co, Mg, Mn, Zn) thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu do thể hiện được nhiều tính chất điện từ, xúc tác thú vị. Các hạt nano spinel kẽm ferit được biết đến với khả năng xúc tác quang hóa có thể được dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước trong vùng ánh sáng khả kiến. Trong số các phương pháp tổng hợp, tổng hợp đốt cháy là một kỹ thuật quan trọng trong điều chế và xử lý các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng), chất xúc tác, composit, vật liệu nano. Quá trình tổng hợp sử dụng phản 1 [...]... thử khả năng quang xúc tác làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học Nhiệm vụ chính của đề tài: • Tổng hợp spinel ZnFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy • Xác định cấu trúc, kích thước hạt spinel ZnFe 2O4 bằng các phương pháp vật lí • Thử khả năng xúc tác quang hóa của spinel ZnFe2O4 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về spinel [2,8,15,19,20,22] Spinel là oxit phức của magie và nhôm Magie có... thể tổng hợp vật liệu nano bằng cách tiến hành phản ứng hóa học truyền thống hoặc hoàn toàn mới Cho tới nay đã có rất nhiều phương pháp tổng hợp thành công vật liệu nano 11 như: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp sol – gel, phương pháp nghiền bi, phương pháp ngưng đọng pha hơi, phương pháp mạ điện… Việc xác định tính chất của vật liệu nano được thực hiện bằng các phương pháp vật lý như phương. .. trình tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao SHS (self propagating high-temperature synthesis process) Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể được chia thành: đốt cháy pha rắn (SSC- solid state combustion), đốt cháy dung dịch (SC-Solution combustion) và đốt cháy pha khí (Gas phase combustion) Ở đây, chúng tôi trình bày phương pháp tổng hợp đốt cháy trạng thái rắn, đốt cháy. .. về phương pháp đốt cháy Trong những năm gần đây, tổng hợp đốt cháy (CS-Combustion synthesis) trở thành một trong những kỹ thuật quan trọng trong điều chế và xử lý các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng), composit, vật liệu nano và chất xúc tác 17 Trong số các phương pháp hóa học, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra bột tinh thể nano oxit ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt... gian và tiết kiệm được năng lượng Quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hoá khử toả nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hoá khử Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn cho sản xuất các vật liệu mới với chi phí thấp so với các phương pháp. .. ứng pha rắn (phương pháp gốm), phương pháp nghiền, … còn có các phương pháp vật lý như phun tạo màng, bốc bay trong chân không, hay các phương pháp hóa học như: hóa keo, sol-gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa,… Tùy theo điều kiện và mục đích nghiên cứu mà mỗi tác giả sẽ lựa chọn phương pháp chế tạo vật liệu cụ thể Ở đây chúng tôi sẽ trình bày sơ lược về một vài phương pháp trong các phương pháp chế tạo... trình bày phương pháp tổng hợp đốt cháy trạng thái rắn, đốt cháy dung dịch và đốt cháy gel polyme b Đốt cháy trạng thái rắn 18 Trong phương pháp SSC, chất ban đầu, chất trung gian và sản phẩm đều ở pha rắn Tổng hợp đốt cháy trạng thái rắn được sử dụng để tổng hợp nhiều loại vật liệu mới Varma đã sử dụng phương pháp SSC để tổng hợp các vật liệu AlNi (vật liệu làm tuabin trong hàng không), TiB 2, SiC,... biện pháp thông thường.Vì vậy nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng, làm mất cân bằng sinh thái, gây nguy hại đến hoạt động thuỷ sinh vật và ảnh hưởng trực tiếp đến đời 3 sống của con người Do đó việc xử lý nước thải công nghiệp là một yêu cầu cấp bách đặt ra cho chúng ta Từ những lý do trên, tôi chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp spinel ZnFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy và thử khả năng quang. .. của phương pháp đốt cháy là: - Thiết bị công nghệ tương đối đơn giản - Sản phẩm có độ tinh khiết cao - Có thể dễ dàng điều khiển được hình dạng và kích thước của sản phẩm Sự thông dụng của phương pháp được phản ánh qua số lượng công trình về CS trên các tạp chí khoa học vật liệu Số lượng công trình và sản phẩm tổng hợp bằng phương pháp này tăng rất nhanh trong những năm gần đây Phương pháp đốt cháy. .. nhiệt giữa hợp phần kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các chất hoạt tính hoặc phản ứng có chứa các chất oxi hóa khử Tổng hợp đốt cháy được đặc trưng bởi nhiệt độ cao, diễn ra nhanh trong một thời gian ngắn Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn cho sản xuất các vật liệu công nghệ cao với chi phí thấp khi so sánh với phương pháp thông . tài: Nghiên cứu tổng hợp spinel ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy và thử khả năng quang xúc tác làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học. Nhiệm vụ chính của đề tài: • Tổng hợp spinel. HỌC VINH, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ANH QUỐC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SPINEL ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ THỬ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ANH QUỐC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SPINEL ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ THỬ KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA