Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp trên cơ sở oxít sắt và các bon, định hướng ứng dụng trong xử lý ion as(v) và xanh methylen trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP TRÊN CƠ SỞ OXÍT SẮT VÀ CÁC BON, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ ION As(V) VÀ XANH METHYLEN TRONG NƢỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP TRÊN CƠ SỞ OXÍT SẮT VÀ CÁC BON, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ ION As(V) VÀ XANH METHYLEN TRONG NƢỚC Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62440123 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ ANH TUẤN TS TẠ QUỐC TUẤN Hà Nội – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học đƣợc trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chƣa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt đƣợc xác trung thực TM tập thể hƣớng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nghiên cứu sinh PGS.TS Lê Anh Tuấn Phạm Thị Lan Hương ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến hai Thầy PGS.TS Lê Anh Tuấn TS Tạ Quốc Tuấn trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng khoa học suốt trình học tập nghiên cứu Chân thành cảm ơn hai Thầy dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả trân trọng cảm ơn TS Vũ Ngọc Phan, TS Đặng Thị Minh Huệ, Th.S Ninh Thị Huyên, Th.S Phạm Thiện Minh, Sinh viên Chu Duy Giang nhóm NCS – Viện Tiên tiến Khoa học Công Nghệ (AIST) đã giúp đỡ tận tình suốt trình nghiên cứu Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quỹ học bổng Vallet giúp đỡ mặt tài chính, giúp tơi an tâm có điều kiện tốt để nghiên cứu Tác giả luận án xin đƣợc cảm ơn hỗ trợ phần tài từ đề tài nghiên cứu cấp Bộ Giáo dục Đào tạo (mã số B2014-01-73) đề tài NCCB cấp QG Quỹ Phát triển KH&CN quốc gia Nafosted tài trợ (mã số 103.02-2015.20) Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng bi ết ơn đến Bậc sinh thành ngƣời chồng yêu quý thân u ln bên tơi lúc khó khăn, mệt mỏi nhất, động viên, hỗ trợ tài tinh thần, giúp tơi đứng vững q trình nghiên cứu, hồn thiện luận án Tác giả luận án Phạm Thị Lan Hương iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Các đóng góp luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu 1.2 Vật liệu nano sắt từ (Fe3 O4 MnFe2 O4) ứng dụng 1.2.1 Cấu trúc Fe3O4 MnFe2O4 1.2.2 Ứng dụng vật liệu nano Fe3O4 MnFe2O4 1.3 Vật liệu nano tổ hợp Fe3 O4@C 1.3.1 Một số phƣơng pháp chế tạo 1.3.2 Ứng dụng vật liệu Fe3O4@C 1.4 Vật liệu nano tổ hợp GO-Fe3 O4 11 1.4.1 Một số phƣơng pháp chế tạo tính chất vật liệu nano tổ hợp GO-Fe3O4 11 1.4.2 Ứng dụng vật liệu nano tổ hợp GO-Fe3O4 12 1.5 Vật liệu nano tổ hợp GO-MnFe2 O4 15 1.5.1 Một số phƣơng pháp chế tạo tính chất vật liệu GO-MnFe2O4 15 1.5.2 Ứng dụng vật liệu nano tổ hợp GO-MnFe2O4 16 1.6 Tình hình nghiên cứu nƣớc 18 1.7 Lý thuyết hấp phụ 20 1.7.1 Các khái niệm 20 1.7.2 Các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt 21 1.7.3 Động học hấp phụ 23 1.8 Các phƣơng pháp phân tích tính chất vật liệu 24 1.9 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP CẤU TRÚC LÕI-VỎ Fe3O4@C VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ As(V) TRONG NƢỚC 27 iv 2.1 Giới thiệu 27 2.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 28 2.2.1 Thiết bị hóa chất 28 2.2.2 Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu Fe3O4@C phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 29 2.2.3 Quy trình thực nghiệm khảo sát khả hấp phụ Asen(V) nƣớc 31 2.3 Phân tích tính chất vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4 @C 32 2.3.1 Phân tích hình thái bề mặt sử dụng phép đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 32 2.3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo XRD 33 2.3.3 Phân tích liên kết vật liệu sử dụng phép đo FTIR 35 2.3.4 Phân tích liên kết vật liệu sử dụng phép đo XPS 36 2.3.5 Phân tích tính chất từ vật liệu sử dụng phép đo từ kế mẫu rung VSM 37 2.4 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@C để xử lý As(V) nƣớc 39 2.4.1 Khảo sát hiệu suất hấp phụ As(V) vật liệu theo thời gian 39 2.4.2 Nghiên cứu động học trình hấp phụ As(V) vật liệu 41 2.4.3 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt Langmuir Freundlich 43 2.5 Kết luận chƣơng 46 CHƢƠNG 47 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP CẤU TRÚC LAI HÓA GO-Fe3 O4 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLEN (MB) TRONG NƢỚC 47 3.1 Giới thiệu 47 3.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu hấp phụ xanh Methylen 48 3.2.1 Thiết bị hóa chất 48 3.2.2 Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3O4 49 3.2.3 Quy trình xử lý hấp phụ MB vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3O4 50 3.3 Phân tích hình thái bề mặt, cấu trúc, liên kết tính chất từ vật liệu 51 3.3.1 Phân tích hình thái bề mặt sử dụng phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 51 3.3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 52 3.3.3 Phân tích liên kết vật liệu sử dụng phép đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) phổ tán xạ Raman 54 3.3.4 Phân tích tính chất từ vật liệu sử dụng phép đo từ kế mẫu rung (VSM) 56 3.4 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3 O4 để xử lý MB nƣớc 57 3.4.1 Khảo sát khả hấp phụ MB theo khối lƣợng vật liệu 57 3.4.2 Nghiên cứu động học hấp phụ MB vật liệu 59 3.4.3 Xây dựng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 61 v 3.4.4 Khảo sát ảnh hƣởng độ pH nhiệt độ đến dung lƣợng hiệu suất hấp phụ MB vật liệu 64 3.4.5 So sánh đánh giá dung lƣợng hấp phụ MB vật liệu 65 3.4.6 Cơ chế hấp phụ MB vật liệu GO-Fe3O4 66 3.5 Kết luận chƣơng 67 CHƢƠNG 69 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP CẤU TRÚC LAI HÓA GO-MnFe2 O4 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ XANH METHYLEN, As(V) TRONG NƢỚC 69 4.1 Giới thiệu 69 4.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 70 4.2.1 Thiết bị hóa chất 70 4.2.2 Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu GO-MnFe2O4 71 4.2.3 Quy trình nghiên cứu khả hấp phụ As(V) MB nƣớc 72 4.3 Phân tích hình thái, cấu trúc tính chất vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-MnFe2 O4 74 4.3.1 Phân tích hình thái bề mặt sử dụng phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 74 4.3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 75 4.3.3 Phân tích liên kết bên vật liệu phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 77 4.3.4 Phân tích tính chất từ vật liệu MnFe2O4 GO-MnFe2O4 sử dụng phép đo từ kế mẫu rung (VSM) 78 4.4 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-MnFe2O4 để xử lý xanh Methylen (MB) Asen(V) nƣớc 79 4.4.1 Khả hấp phụ MB loại vật liệu 80 4.4.2 Khả xử lý Asen(V) loại vật liệu 84 4.5 Kết luận chƣơng 90 KẾT LUẬN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 102 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Α Absorbance coefficient Hệ số hấp thụ E Energy Năng lƣợng λ Wavelength Bƣớc sóng Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt EDS Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc lƣợng tia X TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X HRTEM VSM IR FTIR High-resolution Transmission Electron Hiển vi điện tử truyền qua độ Microscopy phân giải cao Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung Infra-red Hồng ngoại Fourier Transform Infrared Spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier UV-Vis Ultraviolet-Visible Phổ hấp thụ phân tử tử ngoại khả kiến XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy Phổ quang điện tử tia X AAS Atomic Absorption Spectrophotometric Quang phổ hấp thụ nguyên tử FWHM Full-width at half-maximum Độ rộng bán phổ HWHM Half-Width at half-maximum Nửa độ bán rộng phổ MB Methylene Blue Xanh Methylen CR Congo Red Đỏ Congo NR Neutral Red Đỏ trung tính OG Orange G Da cam G GO Graphene Oxide Graphen ôxít rGO Reduced Graphene Oxide Graphen ôxít đƣợc khử MR Methyl red Đỏ methyl AA Ascorbic Acid Axit ascorbic FA Folic Acid Axit folic vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu sắt từ Fe3O4 Hình 1.2 Ảnh TEM hạt nano Fe3O4@C chế tạo phƣơng pháp thủy nhiệt bƣớc (a) thủy nhiệt hai bƣớc (b) Hình 1.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) từ độ bão hòa (b) hai mẫu Fe3O4 Fe3O4@C chế tạo theo phƣơng pháp thủy nhiệt hai bƣớc Hình 1.4 Ảnh TEM mẫu GO-Fe3O4 với tỉ lệ khối lƣợng Fe3O4:GO khác nhau, tƣơng ứng 1:9 (a), 1:4 (b) 1:1 (c) 11 Hình 1.5 Đƣờng cong từ trễ (M-H) hạt sắt từ Fe3O4 biến tính bề mặt vật liệu nano tổ hợp GO-Fe3O4 12 Hình 1.6 Kết khảo sát dung lƣợng hấp phụ MB, NR theo nồng độ vật liệu nano tổ hợp GO-Fe3O4 nhóm Guoqiang Xie cơng bố 14 Hình 1.7 Mơ hình hấp phụ MB vật liệu nano GO-Fe3O4 nhóm nghiên cứu Chunjiao Zhou đề xuất 15 Hình 1.8 Hiệu suất xử lý kim loại Pb(II), As(III), As(V) nƣớc từ vật liệu MnFe2O4 MnFe2O4-GO nhóm tác giả Suresh Kumar 18 Hình 1.9 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir (a) đồ thị biễu diễn phụ thuộc Ce/qe vào Ce (b) 22 Hình 1.10 Các thiết bị phân tích tính chất mẫu luận án; (a) Hệ đo TEM, JEOL-JEM 1010 - Hitachi, Nhật Bản, (b) Hệ đo FTIR-Perkin Elmer Spectrum GX spectrometer (Nicole FTIR 6700), (c) Thiết bị đo VSM MicroSense, EV9 (d) Thiết bị đo phổ UV-Vis HP 8453 spectrophotometer 25 Hình 2.1 Các thiết bị để chế tạo vật liệu nano tổ hợp Fe3O4@C phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt: (a) Máy rung siêu âm, (b) Bình thủy nhiệt, (c) Máy quay ly tâm (d) Lò ủ mẫu Nabertherm RS 80/750/13 28 Hình 2.2 Quy trình chế tạo hạt sắt từ Fe3O4 phƣơng pháp đồng kết tủa 30 Hình 2.3 Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@C phƣơng pháp thủy nhiệt 31 Hình 2.4 Ảnh TEM mẫu sắt từ Fe3O4 (a) mẫu Fe3O4@C theo tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose khác nhau: (b) 1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 33 Hình 2.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X hạt sắt từ Fe3O4 (a) mẫu Fe3O4@C có tỷ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose khác nhau: (b) 1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5, (e) 1:10 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 34 viii Hình 2.6 Phổ FTIR mẫu Fe3O4 (a) mẫu Fe3O4@C theo tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose khác nhau: (b) 1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5, (e) 1:10 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 36 Hình 2.7 Phổ XPS mẫu Fe3O4@C theo tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose =1:2,5 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt: (a) đƣờng tổng, (b) đƣờng O1s, (c) đƣờng Fe2p (d) đƣờng C1s 37 Hình 2.8 Đƣờng cong từ trễ (M-H) mẫu Fe3O4 (a) mẫu Fe3O4@C theo tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose khác nhau: (b) 1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5, (e) 1:10 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 38 Hình 2.9 Khảo sát hiệu suất hấp phụ As(V) theo thời gian mẫu Fe3O4 mẫu Fe3O4@C có tỷ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGlucose khác chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa thủy nhiệt 40 Hình 2.10 Kết đƣờng fit theo mơ hình động học bậc hai mẫu sắt từ Fe3O4 mẫu vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@C 42 Hình 2.11 Đƣờng fit giá trị thực nghiệm theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir cho trình hấp phụ As(V) mẫu FOC-2,5 nhiệt độ 25 ◦C, pH=2, m=0,02g thời gian 105 phút 44 Hình 2.12 Đƣờng fit giá trị thực nghiệm theo mơ hình đẳng nhiệt Freundlich cho trình hấp phụ As(V) mẫu FOC-2,5 nhiệt độ 25 ◦C, pH=2, m=0,02g thời gian 105 phút 45 Hình 3.1 Các thiết bị để chế tạo vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3O4 phƣơng pháp đồng kết tủa: (a) máy rung siêu âm, (c) máy khuấy từ (c) máy quay li tâm, (d) lò nung nhiệt 48 Hình 3.2 Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3O4 phƣơng pháp đồng kết tủa 49 Hình 3.3 Ảnh TEM GO chế tạo phƣơng pháp Hummer (a) hạt Fe3O4 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa (b) Ảnh TEM mẫu vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-Fe3O4 tƣơng ứng với tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGO 1:1 (c) 5:1(d) Các hình chèn nhỏ đồ thị biểu diễn phân bố kích thƣớc hạt mẫu tƣơng ứng 52 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu GO (a), hạt sắt từ Fe3O4 mẫu vật liệu nano lai GO-Fe3O4 chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa (b) 53 Hình 3.5 Phổ FTIR mẫu Fe3O4, GO mẫu vật liệu lai GO-Fe3O4 có tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGO 5:1 (FGO2) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa 54 Hình 3.6 Phổ Raman mẫu GO mẫu vật liệu lai GO-Fe3O4 với tỉ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGO 5:1 (FGO2) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa 55 Hình 3.7 Đƣờng cong từ trễ (M-H) nhiệt độ phòng hạt sắt từ Fe3O4 mẫu vật liệu lai GO-Fe3O4 với tỷ lệ khối lƣợng mFe3O4:mGO khác nhau: 1:1 ... tài nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp sở oxít sắt bon, định hướng ứng dụng xử lý ion As(V) xanh Methylen nước Các tiếp cận luận án tập trung nghiên cứu vào tối ƣu cấu trúc tổ. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP TRÊN CƠ SỞ OXÍT SẮT VÀ CÁC BON, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ ION As(V) VÀ XANH METHYLEN. .. phụ vật liệu nano tổ hợp chế tạo đƣợc As(V) xanh Methylen (MB) Trên sở điều kiện chế tạo phù hợp nhƣ ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp thực nghiệm Từ đánh giá đƣợc tiềm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp chế