Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)

Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 trên nền ống cacbon (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HẦU VĂN HƯỚNG TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2 TRÊN NỀN ỐNG CACBON Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Hướng dẫn khoa học: PGS TS BÙI ĐỨC NGUYÊN THÁI NGUYÊN - NĂM 2017 i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng bất một công trình nào Tôi xin cam đoan rằng, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn HẦU VĂN HƯỚNG Xác nhận Trưởng khoa Hóa học Xác nhận giáo viên hướng dẫn Khoa học PGS TS NGUYỄN THỊ HIỀN LAN ii PGS TS BÙI ĐỨC NGUYÊN LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thực luận văn tác giả nhận rất nhiều quan tâm, động viên giúp đỡ thầy giáo, giáo, bạn bè gia đình Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Khoa Hóa học, Phòng Đào tạo Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, thầy cô giáo tham gia giảng dạy cung cấp kiến thức giúp suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: PGS.TS Bùi Đức Nguyên người tận tình hướng dẫn bảo giúp đỡ suốt trình nghiên cứu, thực hồn thành luận văn Cuối tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp người ln bên tơi, đợng viên khuyến khích tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Với khối lượng cơng việc lớn, thời gian nghiên cứu có hạn, khả nghiên cứu còn hạn chế , chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo, cô giáo bạn đọc Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017 Tác giả Hầu Văn Hướng iii MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ i LỜI CAM ÐOAN ii LỜI CẢM ƠN .iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Giới thiệu vật liệu titan đioxit 1.1.3 Tính chất điện tử 1.1.4 Tiń h chấ t quang xúc tác của vâ ̣t liê ̣u nano TiO2 1.2 VẬT LIỆU NANO TiO2 BIẾN TÍNH .10 1.3 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2 12 1.3.1 Xúc tác quang xử lý môi trường 12 1.3.2 Chế ta ̣o các loa ̣i sơn quang xúc tác 12 1.3.3 Xử lý ion kim loại độc hại ô nhiễm nguồn nước 13 1.3.4 Điều chế hiđro từ phân hủy nước 14 1.4 GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 15 1.5 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT QUANG XÚC TÁC .17 1.5.1 Ảnh hưởng pH 17 1.5.2 Ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác sử dụng phản ứng 18 1.5.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu chất hữu 19 1.5.4 Ảnh hưởng ion lạ có dung dịch 19 1.5.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 19 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU TRONG KHÓA LUẬN 20 1.6.1 Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 20 1.6.2 Nhiễu xạ tia X (XRD) 21 1.6.3 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 23 iv 1.6.4 Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) 24 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BI 25 ̣ 2.1.1 Hóa chấ t 25 2.1.2 Du ̣ng cu ̣ và thiế t bi 25 ̣ 2.2 CHẾ TẠO VẬT LIỆU 25 2.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO KHẢO SÁT TÍ NH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 26 2.3.1 Nhiễu xa ̣ tia X 26 2.3.2 Hiể n vi điê ̣n tử truyề n qua (TEM) 26 2.3.3 Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) 26 2.3.4 Phổ tán xạ tia X (EDX) 27 2.4 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY HỢP CHẤT RHODAMINE B CỦA CÁC VẬT LIỆU 27 2.4.1 Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu 27 2.4.2 Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu theo thời gian 27 2.4.3 Hiê ̣u suấ t quang xúc tác 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 THÀNH PHẦN, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU 29 3.1.1 Kế t quả nhiễu xa ̣ tia X(XRD) 29 3.1.2 Kế t quả chu ̣p phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 32 3.1.3 Kế t quả chu ̣p TEM 34 3.1.4 Kế t quả phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) 35 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA CÁC VẬT LIỆU 36 3.2.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu 36 3.2.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu 37 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Mợt số tính chất vật lý tinh thể rutile anatase Bảng 1.2 Các hợp chất hữu thường sử dụng nghiên cứu phản ứng quang xúc tác TiO2 15 Bảng 1.3 Ảnh hưởng pH đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu độc hại [12] 18 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các dạng thù hình khác TiO2 rutile, (B) anatase, (C) brookite Hình 1.2 Khối bát diện TiO2 .4 Hình 1.3 Giản đồ MO anatase: (a)-Các mức AO Ti O; (b)-Các mức tách trường tinh thể; (c)- Trạng thái tương tác cuối anatase Hình 1.4 Các trình diễn hạt bán dẫn bị chiếu xạ với bước sóng thích hợp .7 Hình 1.5 Giản đồ oxi hóa khử cặp chất bề mặt TiO2 .8 Hình 1.6 Giản đồ lượng pha anatase pha rutile Hình 1.7 Sự hình thành gốc HO● O2- Hình 1.8 Cơ chế quang xúc tác TiO2 tách nước cho sản xuất hiđro 14 Hình 1.9 Cơng thức cấu tạo Rhodamine B 16 Hiǹ h 1.10 Cường độ tia sáng phương pháp UV-Vis 20 Hình 1.11 Mơ tả tượng nhiễu xạ tia X mặt phẳng tinh thể chất rắn 21 Hình 1.12 Sơ đồ mơ tả hoạt động nhiễu xạ kế bột .22 Hình 1.13 Kính hiển vi điện tử truyền qua 23 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X MWCNTs .29 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X TiO2 29 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X TiO2/MWCNTs (tỉ lệ 3:1) .30 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X TiO2/ MWCNTs (tỉ lệ 5:1) 30 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X TiO2/MWCNTs (tỉ lệ 8:1) .31 Hình 3.6 Phở EDX của mẫu TiO2/MWCNTs (5/1)ở lần chụp khác .33 Hiǹ h 3.7 Ảnh TEM của vâ ̣t liê ̣u TiO2/MWCNTs (tỉ lệ 5/1) 34 Hình 3.8 Phổ DRS TiO2 TiO2/MWCNTs 35 Hình 3.10 Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch RhB xử lý vật liệu TiO2/MWCNTs .37 Hình 3.11 Hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB 38 Hình 3.12 Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch MO xử lý vật liệu TiO2/MWCNTs .38 Hình 3.13 Hiệu suất quang xúc tác phân hủy MO 39 Hình 3.14 Sơ đồ minh họa chế quang xúc tác TiO2/MWCNTs 41 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắ t Từ gố c VB Vanlence Band CB Conduction Band TEM Transsmision Electronic Microscopy RhB Rhodamine B XRD X-ray diffraction viii MỞ ĐẦU Trong chất bán dẫn quang xúc tác, TiO2 từ phát Fujishima Honda (1972) sử dụng rộng rãi nhất lĩnh vực quang xúc tác tính chất quang điện tốt nó, giá thành thấp, thân thiện môi trường đặc biệt bền hóa học Tuy nhiên, nhà khoa học tập trung nghiên cứu nâng cao hiệu suất TiO2 cách khác Bởi phản ứng oxi hóa khử xảy trên/tại bề mặt chất xúc tác nên hiệu suất trình có liên quan chặt chẽ đến hấp phụ ion kim loại hợp chất hữu lên bề mặt chất xúc tác Để tăng khả hấp phụ chất xúc tác quang hóa, người ta thường tìm phương pháp tối ưu để làm giảm kích thước hạt, tăng diện tích bề mặt chất xúc tác phân bố chất xúc tác một chất Ống nano cacbon đa lớp (multi-walled carbon nanotubes - MWCNTs) kể từ khám phá (Injima-1991) quan tâm nghiên cứu rộng rãi giới tinh chất diệu kỳ nó bền học, bền hóa học, dẫn điện, khả hấp phụ cao Phân tán hạt nano TiO ống nano cacbon cách chế tạo vật liệu TiO2/MWCNTs nano composizit cách hữu hiệu để tăng dung lượng hấp phụ vật liệu Hơn nữa, hiệu suất trình xử lý cải thiện mạnh mẽ tính chất đặc biệt ống nano cacbon, chiếu sáng electron sinh (nguồn oxi hóa-khử) từ hạt nano TiO2 di chuyển sang ống nano cacbon, phản ứng oxi hóa khử xảy ra, tạo điều kiện cho hạt nano TiO2 tiếp tục thực chu trình sản sinh electron Do đó, chọn đề tài “Tổ ng hợp, nghiên cứu đă ̣c trưng cấ u trúc và hoa ̣t tính quang xúc tác của vật liê ̣u nano TiO2 ống cacbon” CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Giới thiệu vật liệu titan đioxit Titan đioxit hay gọi titan (IV) oxit titania, oxit có nguồn gốc tự nhiên titan Khi sử dụng một loại chất màu sử dụng ngành công nghiệp sản xuất sơn, mỹ phẩm, thực phẩm , nó có tên thương phẩm trắ ng titan Titan đioxit chất rắn màu trắng, đun nóng có màu vàng, làm lạnh trở lại màu trắng Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (tnc = 1870oC) TiO2 một vật liệu ngành công nghệ nano nó có tính chất lý hóa, quang điện tử đặc biệt, cấu trúc bền không độc, thân thiện với mơi trường mà giá thành lại rẻ Vì vậy, TiO2 có rất nhiều ứng dụng cuộc sống hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo loại thủy tinh, men gốm chịu nhiệt…Ở dạng hạt mịn kích thước nano mét TiO có nhiều ứng dụng lĩnh vực chế tạo pin mặt trời, sensor, ứng dụng làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự làm 1.1.2 Cấu trúc vật liệu nano TiO2 TiO2 có bốn dạng thù hình [17] Ngồi dạng vơ định hình, nó có ba dạng tinh thể anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) brookite (orthorhombic) (Hình 1.1) Rutile dạng bền phổ biến nhất TiO2, có mạng lưới tứ phương đó ion Ti4+ ion O2- bao quanh kiểu bát diện, kiến trúc điển hình hợp chất có công thức MX2, anatase brookite dạng giả bền chuyển thành rutile nung nóng Tất dạng tinh thể đó TiO2 tồn tự nhiên khoáng, có rutile anatase dạng đơn tinh thể tổng hợp nhiệt độ thấp Hai pha sử dụng thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác Tuy nhiên, pha khác (kể pha áp suất cao) chẳng ... (DRS) 35 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA CÁC VẬT LIỆU 36 3.2.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu 36 3.2.2 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu 37 KẾT LUẬN... thước nano mét TiO có nhiều ứng dụng lĩnh vực chế tạo pin mặt trời, sensor, ứng dụng làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự làm 1.1.2 Cấu trúc vật liệu nano TiO2 TiO2... ng hợp, nghiên cứu đă ̣c trưng cấ u trúc và hoa ̣t tính quang xúc tác của vật liê ̣u nano TiO2 ống cacbon CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Giới thiệu vật liệu titan