Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ fe3o4 và thử tính chất xúc tác phân hủy chất màu của nó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe 3 O 4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGHỆ AN - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe 3 O 4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.0113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HOA DU Học viên thực hiện: PHẠM ĐÌNH GIANG NGHỆ AN - 2014 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS thầy Nguyễn Hoa Du, người thầy tâm huyết đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên khích lệ cũng như dành thời gian trao đổi và định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS cô Phan Thị Hồng Tuyết, các thầy cô trong Bộ môn Hóa vô cơ, Hóa phân tích, Hóa hữu cơ, Hóa lý. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Vinh, Ban Giám đốc Trung tâm Thực hành - Thí nghiệm, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học Vinh cùng các Thầy giáo, Cô giáo thuộc Khoa Hóa học trường Đại học Vinh, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình làm việc để tôi hoàn thành luận văn này. Vinh, tháng 11 năm 2014 Phạm Đình Giang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6 LỜI CẢM ƠN 7 MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ Fe3O4 9 1.1. Cấu trúc và tính chất của nano từ Fe3O4 9 1.1.1. Cấu trúc tinh thể hạt nanô ôxit sắt từ Fe3O4 9 1.1.2. Tính chất của hạt nanô từ Fe3O4 10 1.2. Các phương pháp tổng hợp nano từ Fe3O4 13 1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa 13 1.2.2. Tổng hợp sol-gel 13 1.2.3. Tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) 14 1.2.4. Phương pháp vi nhũ tương (microemulsion) 14 1.3. Một số ứng dụng của nano từ Fe3O4 15 1.3.1. Y sinh học 15 1.3.2. Công nghệ điện tử, công nghệ thông tin 18 1.3.3. Công nghệ chế tạo máy, công nghiệp nhẹ 18 1.3.4. Năng lượng mới 19 1.3.5. Công nghệ xử lý môi trường 19 1.4. Một số hướng nghiên cứu gần đây về nano từ Fe3O4 19 1.4.1. Vật liệu nanocomposite Fe3O4/chitosan 19 1.4.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe3O4/SiO2 20 1.4.3. Bọc GPTMS lên hạt Fe3O4/SiO2 22 1.4.4. NC-F20 vật liệu chặn an toàn trong xử lý asen 24 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 26 2.1. Hóa chất 26 2.2. Dụng cụ 26 2.3. Thiết bị đo 26 2.4. Phương pháp tổng hợp nano từ Fe3O4 27 2.5. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu nano từ Fe3O4 27 2.6. Phương pháp khảo sát khả năng xúc tác của nano từ Fe3O4 phân hủy hợp chất màu xanh methylen 28 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Tổng hợp nano từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 31 3.2. Phân tích nhiễu xạ tia X 31 3.3. Kết quả ảnh SEM 36 3.4. Kết quả đo đường cong từ hóa M(H) 37 3.5. Khảo sát khả năng xúc tác của Fe3O4 phân hủy MB 39 3.5.1. Phương trình đường chuẩn MB 39 3 3.5.2. Thí nghiệm trắng 40 3.5.3. Thí nghiệm 1 41 3.5.4. Thí nghiệm 2 41 3.5.5. Thí nghiệm 3 42 3.5.6. Thí nghiệm 4 42 3.5.7. Thí nghiệm 5 43 3.5.8. Thí nghiệm 6 44 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 4 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT d: Kích thước hạt trung bình β: Độ rộng nửa chiều cao peak K: Hệ số định dạng λ: Bước sóng của máy XRD θ: Góc Bragg, góc tương ứng của peak (1): Phương trình tổng hợp Fe 3 O 4 (2): Công thức Scherrer MB: Chất màu xanh methylen có công thức C 16 H 18 ClN 3 S.3H 2 O XRD: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) M(H): (Đường cong từ hóa) được đo bằng từ kế mẫu rung(Vibrating Sample Magnetometer- VSM) UV-Vis: Tử ngoại khả kiến (Ultraviolet–visible spectroscopy) 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp 9 Hình 1.2. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe 3 O 4 9 Hình 1.3: Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản 14 Hình 1.4. Ảnh TEM và đường cong từ hóa của vật liệu nanocomposite Fe 3 O 4 /SiO 2 19 Hình 1.5. Đường cong từ hóa và ảnh TEM của vật liệu Fe 3 O 4 /SiO 2 19 Hình 1.6. Đường cong từ hóa của vật liệu Fe 3 O 4 /SiO 2 /GPTMS 21 Hình 3.1. Kết tủa nano từ Fe 3 O 4 mới hình thành và sau khi lọc rửa, sấy khô 29 Hình 3.2. Phổ XRD của vật liệu Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ phòng 30 Hình 3.3. Phổ XRD của vật liệu Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ 50 o C 30 Hình 3.4. Phổ XRD của vật liệu Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ 70 o C 31 Hình 3.5. Phổ XRD của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ phòng, 50 o C, 70 o C 31 Hình 3.6. Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc kích thước vào nhiệt độ 33 Hình 3.7. Ảnh SEM của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ phòng 34 Hình 3.8. Ảnh SEM của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ t = 50 o C 34_Toc401882982 Hình 3.9. Ảnh SEM của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ t = 70 o C 35 Hình 3.10. Đường cong từ hóa của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ phòng 35 Hình 3.11. Đường cong từ hóa của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ 50 o C 36 Hình 3.12. Đường cong từ hóa của Fe 3 O 4 điều chế ở nhiệt độ 70 o C 36 Hình 3.13. Phương trình đường chuẩn MB 37 Hình 3.14. Sự biến thiên hiệu suất phân hủy MB theo thời gian 42 Hình 3.15. Thu hồi xúc tác nano Fe 3 O 4 sau thí nghiệm phân hủy MB 42 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của nano Fe 3 O 4 9 Bảng 3.1: Số liệu phép đo XRD của hạt nano Fe 3 O 4 32 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc kích thước hạt nano Fe 3 O 4 vào nhiệt độ phản ứng xác định theo phổ XRD 33 Bảng 3.3. Xây dựng đường chuẩn MB 37 Bảng 3.4. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm trắng 38 Bảng 3.5. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 1 38 Bảng 3.6. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 2 39 Bảng 3.7. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 3 39 Bảng 3.8. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 4 40 Bảng 3.9. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 5 40 Bảng 3.10. Biến thiên H% theo thời gian của MB trong thí nghiệm 6 40 7 MỞ ĐẦU Có thể nói rằng vật liệu nano là một trong những lĩnh vực thu hút các nhà nghiên cứu khoa học. Từ đó gắn với việc công bố các kết quả thu được có ý nghĩa thực tiễn đối với xã hội loài người. Vật liệu nano ở đây có nghĩa là nanô mét, một phần tỷ của một mét. Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng đã và đang được quan tâm vì nó không thể thiếu trong công nghệ hiện đại.Với nhiều tính năng của vật liệu nano như: thiết bị điện tử, xử lý ô nhiễm nước, y- sinh học, điều trị ung thư, năng lượng sạch… Điều đó cho ta thấy khoa học ngày nay có nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt đó là công nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống của loài người. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ Fe 3 O 4 và thử tính chất xúc tác phân hủy chất màu của nó”. Nội dung của đề tài gồm: Chương 1: Tổng quan về các hạt nano từ Fe 3 O 4 . Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Kết luận và tài liệu tham khảo. 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO TỪ Fe 3 O 4 1.1. Cấu trúc và tính chất của nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 1.1.1. Cấu trúc tinh thể hạt nano oxit sắt từ Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 là một oxit hỗn hợp FeO.Fe 2 O 3 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe 2 O 3 , trong đó M có thể là Fe, Ni, Co, Mn,…). Các ferit có cấu trúc spinel thường hoặc spinel nghịch. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe 3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe 3+ còn lại và tất cả số ion Fe 2+ ở vị trí bát diện. Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O 2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O 2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện. Ôxit sắt từ Fe 3 O 4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị lập phương tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O 2- , 16 cation Fe 3+ , 8 cation Fe 2+ . Dựa vào cấu trúc Fe 3 O 4 , các spin của 8 ion Fe 3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe 3+ và 8 ion Fe 2+ ở vị trí bát diện. Các ion Fe 3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe 3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đó, mômen từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion Fe 2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vậy mỗi phân tử Fe 3 O 4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe 2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vì vậy, tinh thể Fe 3 O 4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe 3 O 4 như hạt đơn đômen [12]. [...]... kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4/ SiO2: kích thước hạt khá nhỏ (~10-20 nm), có tính siêu thuận từ, độ từ hóa bão hòa ~ 52 (emu/g), lực kháng từ Hc~0 18 Hình 1.4 Ảnh TEM và đường cong từ hóa của vật liệu nanocomposite Fe3O4/ SiO2 [13] Kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp được tại 3000K (nhiệt độ phòng) có tính siêu thuận từ, độ từ hóa bão hòa ~10 và 34 emu/g, lực kháng từ H c = 0, độ từ dư Br... hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này 10 Khi kích thước giảm xuống còn nanomet, thì có 2 hiện tượng đặc biệt sau:... học Vật liệu, Hà Nội - Phép đo M(H): Từ tính của mẫu được xác định thông qua đường cong từ hóa của các mẫu, đường cong này được đo bằng từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer- VSM) tại Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 25 2.6 Phương pháp khảo sát khả năng xúc tác của nano từ Fe3O4 đối với phản ứng phân hủy hợp chất màu xanh methylen 2.6.1 Nguyên tắc H2O2 là chất oxy hóa mạnh, dưới tác dụng của. .. nhóm tác giả Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thị Dung (ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội) [3] đã có nghiên cứu chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các hạt nanô Fe 3O4 ứng dụng trong y sinh học, với các kết quả: kích thước hạt ~10-15 (nm), vật liệu có tính siêu thuận từ, độ từ hóa bão hòa ~25-60 (emu/g), lực kháng từ Hc=0, độ từ dư Br~0 (hình 1.5) Hình 1.5 Đường cong từ hóa và ảnh TEM của vật liệu Fe3O4/ SiO2... tính nổi trội, 17 đặc biệt là khả năng xúc tác, hấp phụ Lợi dụng các ưu thế đó các nhà khoa học đã và đang đi sâu nghiên cứu tìm tòi chế tạo các vật liệu hiệu năng cao, sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường: vật liệu hấp phụ, các vật liệu có khả năng xúc tác, xử lý các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các loại khí thải dễ bay hơi (VOCs)…[9] 1.4 Một số hướng nghiên cứu gần đây về nano từ Fe3O4 1.4.1 Vật liệu. .. oxy hóa mạnh, dưới tác dụng của một số chất xúc tác có thể sinh gốc tự do OH* là tác nhân oxy hóa các hợp chất hữu cơ hoặc chất màu Sử dụng Fe3O4 như xúc tác Fenton rắn cho hệ H2O2 – chất màu dưới tác dụng của ánh sáng khả kiến hoặc tia UV để phân hủy chất màu MB là chất màu xanh methylen có công thức C 16H18ClN3S.3H2O; khối lượng phân tử 373,9(g/mol), kí hiệu MB từ tên methylen blue) Dung dịch MB được... hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc (ii) Giảm lượng thuốc điều trị Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt... nhất là tổng hợp vật liệu hạt nano từ; thứ hai là bọc hạt nano từ bằng polime, chẳng hạn bằng kỹ thuật tạo liên kết giữa pha hữu cơ với pha vô cơ trong hệ vi nhũ tương nước/dầu 1.4.2 Tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe3O4/ SiO2 Một số kết quả của các công trình tổng hợp vật liệu Fe 3O4/SiO2 trên thế giới được công bố gần đây có chỉ số trích dẫn và đăng trên các tạp chí khoa học Công trình của nhóm tác giả... về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất [6] 1.3 Một số ứng dụng của nano từ Fe3O4 Vật liệu nano không chỉ đại diện cho sự thay thế đầy sáng tạo trong thiết kế vật liệu và các hợp chất mới trong nghiên cứu hàn lâm mà còn cho phép triển khai một cuộc cách mạng ứng dụng công nghiệp Ngày nay, hầu hết các vật liệu lai đang... tương tác với hoặc bị giữ lại bên trong phần vô cơ của vật liệu nano lai nhờ các tương tác (liên kết hydro, tương tác p-p, lực Val der Waals) Hướng này đơn giản, rẻ và tạo ra vật liệu nano lai vô định hình Các vật liệu này cho cấu trúc micro không xác định, trong suốt và dễ định hình dạng màng hay khối Chúng có kích thước đa phân tán và không đồng nhất trong thành phần hóa học Tuy nhiên vật liệu tổng hợp . nghệ nano đang làm thay đổi cuộc sống của loài người. Vì vậy tôi chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ Fe 3 O 4 và thử tính chất xúc tác phân hủy chất màu của nó . Nội dung của. 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe 3 O 4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ Chuyên ngành:. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM ĐÌNH GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ Fe 3 O 4 VÀ THỬ TÍNH CHẤT XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU CỦA NÓ LUẬN