Nghiên cứu tổng hợp TiO2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ====== ĐỖ THỊ LÊ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TiO2 – CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON NANOCOMPOZIT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa lí Người hướng dẫn khoa học TS LÊ NGỌC THỨC HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Ngọc Thức tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu làm khóa luận Từ tận đáy lòng em xin kính chúc thầy gia đình mạnh khoẻ đạt nhiều thành công giảng dạy nghiên cứu khoa học Em xin chân thành cảm ơn cán Viện Nghiên cứu Khoa học Chuyển giao công nghệ, Ttrường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; giảng viên Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ em thực phép đo phổ hấp thụ UV-vis, phổ hồng ngoại FT-IR, phổ nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét SEM nhiều phép đo khác Em xin cảm ơn thầy Tổ Hóa lí - Cơng nghệ mơi trường giảng dạy, bảo tận tình để em hồn thành khóa luận Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn lớp người thân bên cạnh ủng hộ giúp đỡ em suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 Sinh viên Đỗ Thị Lê LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Lê Ngọc Thức khơng trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết nêu khóa luận trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 Sinh viên Đỗ Thị Lê MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Điểm đề tài PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu TiO2 1.1.1 Khái niệm TiO2 1.1.2 Tính chất TiO2 1.1.3 Cơ chế quang hóa xử lý chất bẩn hữu 1.1.4 Ứng dụng xúc tác quang hóa TiO2 1.2 Chấm lượng tử cacbon 1.2.1 Khái niệm, cấu trúc chấm lượng tử cacbon (C - QDs) 1.2.2 Phương pháp tổng hợp C-QDs CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 10 2.1 Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 10 2.1.1 Hóa chất 10 2.1.2 Tổng hợp hạt nano PS-10AA phương pháp vi nhũ 10 2.1.3 Chế tạo màng mỏng PS-10AA 10 2.1.4 Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 11 2.2 Tổng hợp TiO2 hạt nano 12 2.2.1 Hóa chất dụng cụ 12 2.2.2 Quy trình tổng hợp 12 2.3 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon 13 2.3.1 Hóa chất dụng cụ 13 2.3.2 Quy trình tổng hợp 14 2.4 Tổng hợp TiO2/C - QDs 14 2.4.1 Hóa chất dụng cụ 14 2.4.2 Quy trình tổng hợp 15 2.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang 16 2.5.1 Giới thiệu MB 16 2.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch MB sử dụng phương pháp trắc quang 17 2.5.3 Quy trình tiến hành thử hoạt tính xúc tác quang hóa 18 2.6 Các phương pháp nghiên cứu TiO2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit 19 2.6.1 Phân tán ánh sáng động 19 2.6.2 Nhiễu xạ tia X 19 2.6.3 Phổ hồng ngoại IR 21 2.6.4 Phổ hấp thụ UV-vis 23 2.6.5 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Màng mỏng TiO2 siêu xốp 25 3.1.1 Hạt nano polystiren 25 3.1.2 Màng mỏng hạt polystiren 28 3.1.3 Màng mỏng TiO2 29 3.2 Cấu trúc TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit 31 3.3 Hoạt tính xúc tác quang TiO2 composite 33 3.3.1 Ảnh hưởng nguồn sáng 33 3.3.2 Ảnh hưởng chấm lượng tử cacbon 35 PHẦN KẾT LUẬN 37 PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MB : Metyl xanh C - QDs : Chấm lượng tử cabon CA : Citric acid EDA : Ethylenediamine AA : Axit acid St : Styrene HDA : Hexadecan TIP : Titanium (IV) isopropoxide ACAC : Acetylacetone CTAB : Cetyltrimethylammonium bromide AIBN : 2,2’ - azobisisobutyronitrile nm : Nanomét Eg : Độ rộng vùng cấm FT-IR : Fourier transform – infrared spectroscopy UV-vis : Ultra violet – visible spectrophotometry SEM : Scanning Electron Microscope XRD : X-ray diffraction DLS : Dynamic light scattering DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Q trình quang hố hạt nano TiO2 hình 1.2 Bình phản ứng dùng phương pháp thủy nhiệt hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp TiO2 phương pháp thủy nhiệt 13 hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp TiO2 phương pháp thủy nhiệt 14 hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp TiO2 - CQDs phương pháp thủy nhiệt 15 hình 2.4 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang (a) bước sóng 663 nm vào nồng độ c dung dịch MB 17 hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm thử hoạt tính xúc tác quang hóa 18 hình 2.6 Ngun lí hoạt động máy đo phân tán ánh sáng động 19 hình 2.7 Nhiễu xạ tia x theo mơ hình Bragg 20 hình 2.8 Sơ đồ nguyên lí làm việc máy đo phổ hồng ngoại 22 hình 2.9 Sơ đồ ngun lí hệ đo phổ hấp thụ UV - VIS 23 hình 3.1 Mơ tả q trình thí nghiệm chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 26 hình 3.2 Các đặc trưng hạt keo PS-10AA 27 hình 3.3 Ảnh SEM chụp cắt ngang màng mỏng PS-10AA đế Si 29 hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia x mẫu bột TiO2 - CQDs 31 hình 3.6 Phổ hồng ngoại TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit 32 hình 3.7 Sự thay đổi phổ hấp thụ dung dịch MB trình phân hủy quang hóa điều kiện khác 33 hình 3.8 So sánh hoạt tính xúc tác quang hóa TiO2 điều kiện ánh sáng khác 34 hình 3.9 Sự thay đổi phổ hấp thụ dung dịch MB q trình phân hủy quang hóa với xúc tác khác điều kiện ánh sáng UV 35 PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Xử lý chất màu hữu gây nhiễm xúc tác quang hóa có nhiều ưu điểm kinh tế phạm vi sử dụng, đặc biệt xúc tác có hoạt tính vùng phổ mặt trời Trong loại xúc tác quang hóa nghiên cứu, TiO2 thể ưu điểm vượt trội giá thành thấp, hiệu xúc tác quang cao, bền hóa học thân thiện với mơi trường Tuy nhiên, có độ rộng vùng cấm lớn (~3,2 eV) nên người ta tìm cách biến tính TiO2 kết hợp với vật liệu khác để hoạt động phổ mặt trời Nhược điểm vật liệu TiO2 thường có diện tích bề mặt khơng lớn làm giảm tốc độ q trình xúc tác dị thể hoạt tính xúc tác quang thể vùng ánh sáng tử ngoại Do đó, để tăng hiệu làm việc TiO2, người ta cố gắng chế tạo TiO2 có độ xốp lớn, diện tích bề mặt lớn đặc biệt hoạt động vùng phổ mặt trời Kết hợp TiO2 với chấm lượng tử bán dẫn có vùng cấm nhỏ biện pháp kết hợp ưu điểm bền hóa TiO2 hoạt động vùng phổ nhìn thấy chấm lượng tử Xuất phát từ mong muốn nâng cao hoạt tính quang xúc tác xác định xem hoạt tính xúc tác TiO2 thể ánh sáng trắng thực đề tài: “ Nghiên cứu tổng hợp TiO2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit” Mục đích nghiên cứu - Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp phương pháp sử dụng màng tạo cấu trúc Trong trường hợp sử dụng màng mỏng hạt polystyren làm màng tạo cấu trúc - Tổng hợp hạt nano TiO2 anatase phương pháp thủy nhiệt - Đưa chấm lượng tử cacbon lên bề mặt TiO2 - Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang TiO2 TiO2/C - QDs composite với MB Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp hạt nano polystyrene-poly(acrylicacid) dạng lõi vỏ: PS-10AA - Chế tạo màng mỏng PS-10AA với độ dày khác - Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp xác định cấu trúc kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Tổng hợp TiO2 phương pháp thủy nhiệt xác định cấu trúc phương pháp hồng ngoại nhiễu xạ tia X - Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon (C - QDs) phương pháp thủy nhiệt từ CA EDA - Tổng hợp TiO2 – CQDs phương pháp thủy nhiệt xác định cấu trúc phương pháp hồng ngoại nhiễu xạ tia X - Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang TiO2 TiO2 - CQDs composite với MB ánh sáng trắng ánh sáng UV Nồng độ MB xác định phổ hấp thụ UV – Vis Phương pháp nghiên cứu Kích thước hạt PS-10AA xác định phương pháp DLS (dynamic light scattering) Cấu trúc màng mỏng PS-10AA TiO2 siêu xốp nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử quét SEM (Scanning electron microscope) Cấu trúc tinh thể TiO2 xác định phổ nhiễu xạ tia X Cấu trúc hóa học TiO2-CQDs composite xác định phổ hồng ngoại Điểm đề tài - Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp từ màng mỏng PS – 10AA - Tổng hợp TiO2 phương pháp thủy nhiệt - Thử hoạt tính xúc tác TiO2 MB ánh sáng trắng - Đưa chấm lượng tử cacbon lên bề mặt TiO2 thử hoạt tính quang xúc tác ánh sáng UV PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu TiO2 1.1.1 Khái niệm TiO2 TiO2 tồn dạng bột, thường có màu trắng điều kiện thường, nung nóng có màu vàng Khối lượng phân tử 79,87 g/mol, trọng lượng riêng từ 4,13 – 4,25 g/cm3, nóng chảy nhiệt độ cao 1780oC, khơng tan nước axit axit sunfuric clohidric…ngay đun nóng TiO2 tồn dạng tinh thể thường có loại thù hình rutile, anatase brookite Trong tự nhiên dạng tinh thể anatase rutile thường phổ biến brookite khơng bền TiO2 với cấu trúc tinh thể dạng anatase có kích thước tinh thể từ – 50 nm có hoạt tính xúc tác mạnh nên gần nghiên cứu nhiều để ứng dụng xử lý chất độc hại mơi trường [5][6] 1.1.2 Tính chất TiO2 Titan oxit (TiO2) chất bán dẫn loại n điển hình, bền hóa học, có khả dẫn điện tử tốt gần suốt với ánh sáng nhìn thấy TiO2 ứng dụng rộng rãi làm chất dẫn electron hệ pin quang - điện tử, hay làm xúc tác quang hóa cho q trình quang tổng hợp xử lý mơi trường TiO2 trơ mặt hóa học, khơng phản ứng với dung dịch axit vơ lỗng, amoniac, axit hữu cơ, không tan đáng kể dung dịch kiềm Chúng bị phân hủy 2000oC, nhiệt độ cao phản ứng với muối cabonat oxit kim loại [5] TiO2 tồn nhiều dạng cấu trúc trúc khác nhau, phổ biến anatase rutile Trong dạng rutile bền nhiệt động học có khả dẫn điện tốt dạng anatase bền hóa học có hoạt tính quang hóa cao Giữa hai cấu trúc chuyển hóa qua lại môi trường đặc biệt Chẳng hạn xử lý thủy nhiệt hạt nano TiO2 anatase môi trường chứa CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Màng mỏng TiO2 siêu xốp 3.1.1 Hạt nano polystiren N N N N N N + N C  (1) R R* CH2* + (2) CH2* R H2 C R * n + (3) n R H2 C R H2 C * * O + n m HO OH m O n (4) Kỹ thuật phản ứng vi nhũ sử dụng nhiều năm trở lại để tổng hợp hạt polymer có kích thước cỡ nanomet Hình 3.1 mơ tả hình thành hệ vi nhũ dầu nước, hạt polystyrene có oligome acrylic acid bề mặt (PS-10AA) hình thành TiO2 siêu xốp sử dụng PS10AA làm chất tạo cấu trúc Pha dầu gồm có styrene, acrylic acid, chất bền dầu HDA, chất tạo gốc tự tan dầu AIBN Khi tiếp xúc với nước, acrylic acid có xu hướng phân bố bề mặt phân cách pha có nhóm phân cực COOH có nhóm khơng phân cực –CH=CH2 Nhóm khơng phân cực khơng đủ dài để bền hóa cấu trúc hạt dầu nước 25 Dầu CTAB COOH HOOC CO HOOC HOO C Acrylic acid CO OH HOOC CO OH Nước OH C OO H Hình 3.1 Mơ tả q trình thí nghiệm chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp (1) Nhũ tương dầu nước, phân tử CTAB acrylic acid tập trung bề mặt phân cách pha (2) Dưới tác dụng khuấy trộn sóng siêu âm, kích thước hạt nhũ nhỏ dần đồng tạo thành cấu trúc mixen (3) Khi đun nóng phản ứng đến 70 oC, AIBN phân hủy tạo thành gốc tự do, khơi mào cho phản ứng dây chuyền polymer hóa styrene acrylic acid Polymer hay oligomer acrylic acid nằm bề mặt hạt keo tính phân cực chúng (4) Sau phủ quay, hạt PS-AA tạo thành màng mỏng (5) Khe hạt PS-AA làm đầy sol TiOx (6) Quá trình đốt cháy khơng khí phân hủy PS-AA tạo thành lỗ trống; đồng thời TiOx chuyển pha tạo thành TiO2 tinh thể Để làm bền hóa hệ nhũ tương để tạo hạt nhũ có cấu trúc đồng ta phải sử dụng chất hoạt động bề mặt, trường hợp CTAB Dưới tác dụng khuấy trộn rung siêu âm, hạt nhũ bị phân cắt đồng hóa kích thước, tạo thành mixen Lõi mixen monomer styrene, AIBN, HDA Bề mặt mixen có nhóm phân cực – (CH3)3N+Br- nhóm –COOH axit acrylic (xem hình mơ tả (2) hình 3.1 Khi đun nóng hệ nhũ tương lên 70 oC, AIBN bị phân hủy theo phản ứng (1) tạo thành gốc tự bên lõi mixen Các gốc tự 26 khơi mào cho phản ứng polymer hóa styrene tạo thành polystyrene theo phản ứng (2) – (3) Song song với trình polymer hóa (phát triển mạnh phản ứng) gốc tự di chuyển từ bên lõi mixen đến bề mặt phân cách dầu – nước để khơi mào cho q trình polymer hóa acrylic acid (4); kết polymer acrylic acid liên kết cộng hóa trị với lõi polystyrene [14] Sự tồn phân tử axit acrylic dạng oligomer hay polymer bề mặt phân cách pha phần làm thay đổi cấu trúc mixen Sản phẩm tạo thành PS-10AA có phân bố kích thước hạt khơng đồng trường hợp không cho thêm axit acrylic vào hỗn hợp phản ứng Bù lại, PS-10AA lại có tương tác mạnh với pha rắn qua liên kết hydro mạch polyacrylic acid Tương tác mạnh hạt keo tối quan trọng trình chế tạo màng mỏng PS-10AA [13] 100 14 Contribution (%) Weight (%) 12 a) 80 60 40 20 b) 10 0 100 200 300 400 500 600 50 100 150 200 250 300 Diameter (nm) O Temperature ( C) c) 100 nm Hình 3.2 Các đặc trưng hạt keo PS-10AA a) giản đồ nhiệt trọng lượng TG, b) phân bố kích thước hạt thu DLS, c) ảnh SEM 27 Hình 3.2 trình bày đặc trưng hạt keo PS-10AA thu Phân tích nhiệt trọng lượng, hình 3.2 a cho thấy PS-10AA trải qua hai giai đoạn phân hủy tương đối rõ nét Giai đoạn bắt đầu khoảng 180 oC đến 330 oC tương ứng với khối lượng giảm 10% Giai đoạn hai khoảng 370 oC Chúng cho giai đoạn tương ứng với trình đốt cháy nhóm polyacrylic acid bề mặt hạt keo giai đoạn tương ứng với trình đốt cháy lõi polystyrene Phân tích tán xạ ánh sáng DLS dung dịch keo PS10AA, hình 3.2 b, cho thấy kích thước động học hạt keo tập trung chủ yếu khoảng 100 nm phân đoạn hạt nhỏ kích thước khoảng 22 nm Kích thước lớn so với kích thước hạt nhìn thấy phổ SEM (hình 3.2 c), trạng thái dung dịch (trong thí nghiệm DLS), nhóm polyacrylic acid phân cực bề mặt trạng thái solvate hóa tự nhiều so với trạng thái rắn (trong thí nghiệm SEM) Hình SEM (hình 3.2 c) cho thấy tồn hai dạng hạt, hạt nhỏ khoảng 20 nm hạt lớn cỡ 75 nm Chúng cho tồn hai dạng hạt khác hình thành hai hệ mixen hệ nhũ tương, bền hóa CTAB bền hóa phân tử acrylic acid 3.1.2 Màng mỏng hạt polystiren Từ dung dịch keo PS-10AA với nồng độ khác chế tạo thành công màng mỏng PS-10AA với độ dày tùy ý nhiều loại đế khác Hình 3.3 trình bày ảnh SEM chụp cắt ngang màng PS-10AA đế Si Có thể thấy, độ dày màng PS-10AA thay đổi khoảng từ vài trăm nm đến cỡ micromet cách thay đổi tốc độ quay trình phủ quay 28 183 nm 365 nm 662 nm 1037 nm Hình 3.3 Ảnh SEM chụp cắt ngang màng mỏng PS-10AA đế Si Thanh hình có độ dài 200 nm Độ dày màng mỏng thay đổi tùy ý cách thay đổi nồng độ dung dịch keo PS-10AA dùng để phủ quay Độ dày màng mỏng đại diện ghi ảnh 3.1.3 Màng mỏng TiO2 Chúng sử dụng màng mỏng PS-10AA để ngâm tẩm dung dịch sol TIP Sol lấp đầy khoảng trống hạt PS-10AA ngưng tụ lại q trình gel hóa Cuối cùng, tiền oxít TiOx chuyển thành pha TiO2 tinh thể nhiệt độ cao q trình nung nóng Trong q trình này, hạt PS-10AA bị đốt cháy, để lại TiO2 có cấu trúc siêu xốp Trong nhiều trường hợp, liên kết lớp màng PS-10AA đế không đủ bền để ngâm tẩm màng PS-10AA dung dịch sol, chúng tơi sử dụng kỹ thuận sol-gel pha khí để đưa TiOx vào khe hạt PS-10AA TIP, H2O HCl dễ dàng khếch tán qua khe trước ngưng tụ bề mặt hạt keo PS-10AA; q trình sol-gel xảy hình thành lớp oxit TiOx Hình 3.4 trình bày ảnh SEM chụp màng TiO2 thu đế Si FTO 29 Hình 3.4 Ảnh SEM màng TiO2 siêu xốp a) ảnh mặt cắt ngang TiO2 đế Si, b) mặt cắt đế FTO, c) bề mặt TiO2 siêu xốp d) ảnh phóng đại bề mặt TiO2 cho thấy cầu rỗng nối với Hình 3.4 cho thấy việc sử dụng màng mỏng PS-10AA màng tạo cấu trúc chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp với đặc tính trội như: độ dày đồng (hình 3.4 a b); độ dày thay đổi 30 cách thay đổi độ dày lớp PS-10AA;có thể chế tạo nhiều loại đế khác nhau; màng có cấu trúc bề mặt mở (hình 3.4 c), gồm hình cầu rỗng có kích thước tương đương với hạt PS-10AA, cầu rỗng kết nối với (hình 3.4 d) Hình thái học lớp TiO2 phù hợp cho ứng dụng pin mặt trời, xúc tác quang hóa, quang tổng hợp, cảm biến, v.v 3.2 Cấu trúc TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit Intensity (a.u) TiO2 - CQDs 101 004 TiO2 200 105 204 Standard Anatase 20 30 40 50 60 70 80 thetha (degree) Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột TiO2 - CQDs Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu TiO2 tổng hợp từ phương pháp thủy nhiệt composite với chấm lượng tử cacbon biểu diễn hình 3.5 Có thể nhận thấy, hai mẫu TiO2, TiO2 - CQDs xuất pic tương ứng với góc nhiễu xạ 2θ ≈ 25,40; 37.8; 47.9; 53.9; 62,7 Các pic nhiễu xạ xuất phát từ phản xạ họ mặt mạng 101; 004; 200; 105; 204 TiO2 pha Anatase (JCPDS 21-127- thẻ phổ chuẩn TiO2) Ngoài ra, tương đồng cấu trúc phổ TiO2 TiO2-CQDs chứng tỏ cấu trúc tinh thể TiO2 khơng bị biến đổi sau q trình tạo composite với CQDs Kích thước hạt tinh thể TiO2 trước sau tạo nano composite với CQDs tính theo phương trình Debye-Scherrer: d = kλ/β cos , k số 0,9; λ bước sóng tia X (0,154 nm); β độ rộng nửa 31 chiều cao pic là góc nhiễu xạ Tính tốn với pic nhiễu xạ (2θ ≈ 25,40 o) thu kích thước TiO2 trước thực phản ứng thủy nhiệt với C - QDs 8,2 nm sau phản ứng 7,0 nm Có thể, điều kiện thủy nhiệt (140 oC, giờ), lớp ngyên tử liên kết bền bề măt hạt TiO2 bị hòa tan 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 105 T% 100 95 90 85 100 MB - TiO2 - CQDs T% 95 90 85 TiO2 - CQDs 100 T% 95 90 MB - TiO2 85 T% 100 90 80 TiO2 70 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber (cm-1) Hình 3.6 Phổ hồng ngoại TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit Để phân tích chi tiết cấu trúc vật liệu tiến hành đo phổ hồng ngoại mẫu Vì phổ hồng ngoại cung cấp thơng tin loại dao động đặc trưng liên kết hay nhóm chức phân tử Qua ta xác định cấu trúc vật liệu Hình 3.6 biểu diễn kết đo FT – IR mẫu TiO2, TiO2/C - QDs sau thử hoạt tính xúc tác quang với dung dịch MB ánh sáng UV Các mẫu xuất pic vị trí 805 cm-1 đặc trưng cho liên kết liên Ti – O mạng 32 TiO2 Pic 1348 cm-1 tạo thành liên kết -O-Ti-O- mạng lưới Dao động nhóm OH Si-OH hay Ti-OH có số sóng nằm vùng 3441 cm-1 1635 cm-1 Pic nằm vùng 1600 – 1700 cm-1 mẫu TiO2, TiO2 sau thử hoạt tính xúc tác với dung dịch MB TiO2/C QDs đặc trưng cho liên kết -C=N- 3.3 Hoạt tính xúc tác quang TiO2 composite 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Blank (UV light) a UV absorbance (a u) C (mg/l) UV absorbance (a u) 5.0 4.5 10 20 30 40 50 60 Time (min) 300 400 500 600 700 c (mg/l) 3.3.1 Ảnh hưởng nguồn sáng 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 300 500 600 700 C (mg/l) UV absorbance (a u) J C (mg/l) UV absorbance (a u) c I 400 10 20 30 40 50 60 400 500 600 700 Wavelength (nm) Time (min) 300 (White light) Time (min) Wavelength (nm) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 TIO2 2.0 1.5 (UV light) 1.0 10 20 30 40 50 60 b Blank 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 TiO2 (White light) d 10 20 30 40 50 60 Time (min) 300 400 500 600 700 Wavelength (nm) Wavelength (nm) Hình 3.7 Sự thay đổi phổ hấp thụ dung dịch MB trình phân hủy quang hóa điều kiện khác 33 a) tia UV, khơng có xúc tác; b) ánh sáng trắng, khơng có xúc tác; c) có tia UV xúc tác TiO2; d) ánh sáng trắng có TiO2 Để khảo sát hoạt tính quang xúc tác nano TiO2 tổng hợp được, tiến hành phản ứng phân hủy MB Hình kết đo phổ hấp thụ UV-Vis dung dịch MB với xúc TiO2 ánh sáng trắng ánh sáng UV 5.0 4.5 C (mg/l) 4.0 3.5 3.0 TiO2 (White light) 2.5 TiO2 (UV light) Blank (White light) Blank (UV light) 2.0 1.5 1.0 10 20 30 40 50 60 Time (minute) Hình 3.8 So sánh hoạt tính xúc tác quang hóa TiO2 điều kiện ánh sáng khác Khả phân hủy dung dịch MB có TiO2 làm xúc tác quang hóa vượt trội hẳn so với mẫu khác Chỉ sau 60 phút nồng độ dung dịch MB giảm 50% so với ban đầu Cũng sử dụng TiO2 làm xúc tác quang hóa dung dịch MB sử dụng đèn chiếu sáng ánh sáng trắng thấy nồng độ dung dịch MB có giảm nhiên giảm khoảng 20% 60 phút Khả phân hủy MB không sử dụng TiO2 làm xúc tác dùng đèn chiếu ánh sáng trắng Nồng độ dung dịch MB gần khơng giảm sau 60 phút Từ đó, rút kết luận khả phân hủy dung dịch MB tốt cao có TiO2 làm xúc tác quang hóa sử dụng ánh sáng UV Dựa vào hình 3.7 a, b, c, d quan sát 34 khác phổ UV sử dụng chất xúc tác nguồn chiếu sáng khác 2.0 1.5 1.0 Blank (UV light) a 10 20 30 40 50 60 Time (min) 300 400 500 600 J 4.0 3.5 3.0 2.5 UV absorbance (a u) c (mg/l) UV absorbance (a u) 5.0 4.5 C (mg/l) 3.3.2 Ảnh hưởng chấm lượng tử cacbon I 300 700 400 500 600 700 Wavelength (nm) d 5.0 c 4.5 4.0 TIO2 - CQDs C (mg/l) J C (mg/l) UV absorbance (a u) b Time (min) Wavelength (nm) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 TIO2 2.0 1.5 (UV light) 1.0 10 20 30 40 50 60 (UV light) 10 20 30 40 50 60 Time (min) I 3.5 3.0 2.5 Blank (UV light) MB - TiO2 (UV light) 2.0 MB - TiO2 - CQDs (UV light) 1.5 1.0 300 400 500 600 700 10 20 30 40 50 60 Time (minute) Wavelength (nm) Hình 3.9 Sự thay đổi phổ hấp thụ dung dịch MB trình phân hủy quang hóa với xúc tác khác điều kiện ánh sáng UV a) khơng có xúc tác; b) có xúc tác TiO2; c) có xúc tác TiO2 - CQDs; d) So sánh hoạt tính xúc tác quang hóa TiO2 TiO2 - CQDs Trên hình 3.9 d, chiếu ánh sáng đèn UV vào dung dịch MB sử dụng chất xúc tác quang khác Nồng độ MB giảm mạnh 35 sử dụng chất xúc tác TiO2, sau 60 phút giảm 50% Khi sử dụng xúc tác TiO2 - CQDs thấy nồng độ dung dịch MB giảm mạnh khơng mạnh mẫu sử dụng xúc tác TiO2 Có thể thấy, chiếu nguồn ánh sáng, sử dụng xúc tác quang TiO2 khả phân hủy MB tốt TiO2 - CQDs Điều chứng tỏ, đưa chấm lượng tử cacbon lên bề mặt TiO2 khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt tính xúc tác TiO2 36 KẾT LUẬN Sau hồn thành khóa luận thu số kết sau: Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp cách sử dụng màng mỏng hạt polystyren làm màng tạo cấu trúc Màng mỏng TiO2 chứa hạt cầu rỗng kết nối với Hạt nano TiO2 thuộc pha anatase, có kích thước 8,2 nm Hoạt tính xúc tác quang hóa TiO2 với dung dịch MB ánh sáng UV tốt ánh sáng trắng Đưa chấm lượng tử vào TiO2 ko làm thay đổi cấu trúc TiO2 Hoạt tính xúc tác TiO2/C - QDs ko thay đổi nhiều so với TiO2 Khi thực khóa luận thời gian kiến thức khoa học thân hạn chế, nên nhiều vấn đề khoa học xoay quanh TiO2 – chấm lượng tử nanocompozit chưa nghiên cứu, lý giải đầy đủ Tơi tin thực nghiên cứu chi tiết hơn, cho kết tốt tương lai 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lưu Thị Lan Anh, Nguyễn Ngọc Trung, Nguyễn Thị Tuyết Mai*, Nguyễn Thị Lan, Trần Thị Thu Huyền, Trịnh Xuân Anh, Phan Trung Nghĩa, Tạ Ngọc Dũng, Huỳnh Đăng Chính (2016, tổng hợp hạt nano TiO2 phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt khảo sát khả xúc tác quang hóa chất màu metylen xanh Lê Minh Hòa, nghiên cứu tổng hợp đặc trưng tính chất quang chấm lượng tử cacbon, silic (2016), khoa Hóa Học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội Phùng Thị Thu (2014), nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác sở TiO2 vật liệu khung kim (MOF), luận văn thạc sĩ khoa học đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Diệu Thu (2012), nghiên cứu biến tính TiO2 cacbon sắt làm chất xúc tác quang hóa vùng ánh sáng trơng thấy, luận văn thạc sĩ hóa học đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Thị Tuyết Nam (2014), nghiên cứu khả xử lý độ màu nước thải dệt nhuộm TiO2, khoa Khoa học Mơi trường, Đại học Sài Gòn https://www.slideshare.net/airocidefromnasa/cng-ngh-titandioxidetio2-bc-tph-mi-cho-i-sng Jiao Chen, Juan Shu, Zhang Anqi, Heng Juyuan, Zhengyu Yan, Jianqiu Chen (2016), Synthesis of carbon quantum dots/TiO2 nanocomposite for photo – degradation of Rhodamine B and cefradin, Diamond and Related Materials Earle, M D The electrical conductivity of titanium dioxide Phys Rev 1942, 61, 56-62 Akira, F., KENICHI, H Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode Nature 1972, 238, 37 – 38 38 10 Loannis, K K., Triantafyllos, A A TiO2-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations: A review Appl Catal., B 2004, 4, 1–14 11 Illan, J K., Edward, H S The architecture of colloidal quantum dot solar cells: Materials to devices Chem Rev., 2014, 114 (1), pp 863–882 12 Torsten, B., John, Wang., Julien, P., B, Dunn., Sarah, H T Templated nanocrystal-based porous TiO2 films for next-generation electrochemical capacitors J Am Chem Soc 2009, 131, 1802–1809 13 Mai, X D., June, K Lee., Woo, S Soun., Hyun, D J Ultralow-n SiO2 Thin Films Synthesized Using Organic Nanoparticles Template Bull Korean Chem Soc 2010, 31, 3593-3599 14 Katharina, L Polyreactions in Miniemulsions Macromol Rapid Commun 2001, 22, 896–936 39 ... thực đề tài: “ Nghiên cứu tổng hợp TiO2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit Mục đích nghiên cứu - Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp phương pháp sử dụng màng tạo cấu trúc Trong trường hợp sử dụng... trúc - Tổng hợp hạt nano TiO2 anatase phương pháp thủy nhiệt - Đưa chấm lượng tử cacbon lên bề mặt TiO2 - Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang TiO2 TiO2/C - QDs composite với MB Nội dung nghiên cứu. .. Chấm lượng tử cacbon 1.2.1 Khái niệm, cấu trúc chấm lượng tử cacbon (C - QDs) Các chấm lượng tử (C - QDs) gần lên lớp vật liệu thú vị So với hệ lượng tử khác cấu trúc hóa học, cấu trúc điện tử