Tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu SrTiO3-xSx

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỒNG KHANH TÔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU SrTiO3.xSx Chuyên ngành Mã số : KỸ THUẬT HÓA HỌC : 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Lê Minh Viễn Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận vãn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VẰN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HỒNG KHANH MSHV: 7140788 Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1991 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chun ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 60.52.03.01 I TÊN ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU SrTiO3.xSx II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tổng hợp thành cơng vật liệu SrTiO3 phương pháp sol-gel, xác định điều kiện phù hợp để chế tạo SrTiO3 • Chế tạo vật liệu SrTiO3.xSx (với X = 04-3) Phân tích XRD, EDX, SEM, BET, TGA/DTA để xác định hàm lượng s phù họp khảo sát tính chất quang xúc tác vật liệu sau biến tính phương pháp phân tích UV-dữ, UV-vis • Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân huỷ Methylene Blue (MB) SrTiO3 SrTiO3_xSx chiếu xạ đèn mơ phòng ánh sáng mặt trời • Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang phân huỷ MB III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/01/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÊ MINH VIỄN Tp HCM, ngày 11 thảng 01 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS LÊ MINH VIỄN TS LÊ MINH VIỄN TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Bách khoa truyền đạt nhiều điều quý báo bổ ích, quãng thời gian học trường tơi tích lũy thêm nhiều kiến thức lĩnh vực nghiên cứu Tơi bày tỏ lòng cảm ơn trân trọng đến thầy TS Lê Minh Viễn tận tình dành thời gian hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, đóng góp ý kiến nhận xét để tơi hồn thành báo khoa học luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa, mơn Hóa Vơ Cơ thầy phòng thí nghiệm Vơ Cơ tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị, dụng cụ sở vật chất cho tơi suốt q trình thí nghiệm Tôi trân trọng cảm ơn bạn học viên cao học sinh viên cổ vũ giúp đỡ thời gian làm luận văn Xin cảm ơn Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Viện Dầu khí Việt Nam, Trung tâm nghiên cứu triển khai - Khu công nghệ cao Tp.HCM, giúp đỡ phân tích cấu trúc vật liệu mẫu thí nghiệm Cuối cùng, xin cảm ơn ủng hộ, động viên hỗ trợ nhiệt tình gia đình giúp tơi hồn thành luận vãn Trong q trình thực nội dung luận vãn không tránh khỏi phần thiếu sót, kính mong Thầy/Cơ bạn đóng góp ý kiến để đề tài luận văn hồn chỉnh Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Lê Hồng Khanh i TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu này, vật liệu perovskite SrTiO3 tổng họp kỹ thuật solgel biến tính với lưu huỳnh s phương pháp nghiền doped đem nung lò khí trơ (Nitro) Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng họp chất xúc tác như: tỉ lệ khối lượng Sr/Ti, nhiệt độ nung thời gian nung khảo sát Đặc tính cấu trúc vật liệu phân tích phương pháp: phân tích nhiệt trọng lượng (TGA-DTA), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ lượng tia X (EDX), kính hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt riêng (BET), phổ hấp phụ UV-Vis tổng hàm lượng carbon hữu (TOC) Ngồi ra, hoạt tính chất xúc tác quang đánh giá thông qua hiệu suất phân hủy Methylene Blue (MB) nồng độ 10 mg/1 nước điều kiện chiếu xạ ánh sáng khả kiến giả lập Từ kết phân tích cho thấy chất xúc tác SSTO (ms/mSlTi03 = 10%) chất xúc tác tốt có dạng hình cầu đồng đường kính trung bình hạt khoảng 20 nm, diện tích bề mặt riêng cao 218 m2/g, có lượng band gap thấp hấp thụ vùng ánh sáng tự nhiên với bước sóng Ầ = 454 nm (Eg = 2.73 eV) độ chuyển hóa MB 10 mg/1 đạt 84,55% hấp phụ tối tiếng quang hóa ánh sáng đèn tự nhiên nhân tạo ii ABSTRACT S-doped SrTiO3 was synthesized by the solid state reaction method between s and SrTiO3 power under the N2 flow The effect of temperature, calcination time and S- content on the formation and photocatalytic activity of SrTiO3 were investigated The morphology and properties of obtained powders were characterized by XRD, UV-DRS, UV-VIS, SEM, BET The photocatalytic activities of S-doped SrTiO3 was also investigated through the decomposition of methylene blue As a result, the 10 %s-doped SrTiO3 conttibuted to the decrease of band gap energy to 2.73 eV and enhanced the photocatalytic activity for methylene blue degradation of 74.5 % after 180 irradiation by simulated solar light LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực khoa Kỹ thuật hóa học - Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh hướng dẫn thầy TS Lê Minh Viễn Các số liệu kết ưình bày ừong luận văn trung thực chưa công bố ừong cơng trình khác Học viên thực Lê Hồng Khanh MỤC LỤC BẢNG CHỮ CÁI VIẾT TÁT ix DANH MỤC BẢNG xi DANH MỤC HÌNH xiii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan SrTiO3 1.1.1 Cấu trúc perovskite 1.1.2 Định nghĩa, tính chất 1.1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu SrTiO3: 1.1.4 ứng dụng 1.2 Tính xúc tác quang SrTiO3 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn 1.3 ứng dụng SrTiO3 ừong xúc tác quang hoá 1.4 Methylene Blue (MB) 10 1.4.1 Cấu trúc hóa học đặc tính 10 1.3.1 Lịch sử nghiên cứu 11 1.3.2 úhg dụng 12 1.3.3 Tác hại MB 12 1.3.4 Một số phương pháp xử lý MB ừong chất thải 13 1.3.5 Cơ chế phân hủy MB xúc tác quang SrTiO3 14 1.5 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 16 V CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20 2.1 Nội dung nghiên cứu 20 2.2 Mục đích nghiên cứu 20 2.3 Thực nghiệm 20 2.3.1 Hóa chất dụng cụ 20 2.3.2 Quy trình điều chế 21 2.3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc SrTiO3 24 2.3.4 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc S-SrTiO3 25 2.4 Các phương pháp đánh giá hình thái, cấu trúc vật liệu .26 2.4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 26 2.4.2 Hình thái bề mặt (SEM) 26 2.4.3 Phân tích hấp phụ khí - xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 26 2.4.4 Phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 26 2.4.5 Phân tích nhiệt trọng lượng TG/DTA 27 2.5 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác 27 2.5.1 Phổ phản xạ khuếch tán tia UV-DRS 27 2.5.2 Quang phổ hấp thụ (UV-vis) 28 2.5.3 Tổng hàm lượng cacbon hữu (TOC) 28 2.5.4 Mơ hình khảo sát hoạt tính xúc tác 29 2.5.5 Xây dựng đường chuẩn MB 31 2.5.6 Khảo sát trình hấp phụ MB 31 2.5.7 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang 32 2.5.8 Khảo sát tỷ lệ Rắn - Lỏng 33 vi 2.5.9 Khảo sát ảnh hưởng pH: 33 2.5.10 Khảo sát động học trình hấp phụ MB: 33 2.6 Quá trình tái sinh xúc tác 34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36 3.1 Khảo sát điều kiện tồng hợp SrTiO3 36 3.1.1 Phân tích nhiệt khối lượng TG/DTA 36 3.1.2 Khảo sát nhiệt độ nung 37 3.1.3 Khảo sát thời gian nung 40 3.1.4 Phổ phản xạ khuếch tán DRS 42 3.1.5 Hình thái bề mặt (SEM) thành phần mẫu SrTiO3 43 3.2 SrTiO3 biến tính s (S-STO) 44 3.2.1 Khảo sát tỷ lệ dope s 44 3.2.2 Khảo sát thời gian nung 50 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ lỏng - rắn (L/R) đến hiệu suất xúc tác quang: 53 3.4 Ảnh hưởng pH dung đến hiệu suất xúc tác quang: 54 3.5 Khảo sát trình hấp phụ chất xúc tác 56 3.5.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 56 3.5.2 Khảo sát phân hủy MB theo nồng độ: 58 3.5.3 Động học phân hủy MB theo tỷ lệ dope s 60 3.6 Phân tích TOC mẫu STO 10%S-STO 61 3.7 Thời gian phân hủy hoàn toàn MB 63 3.8 Tái sử dụng xúc tác SrTiO3 biến tính S: 64 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 vii Luận văn tôt nghiệp ill I I I—I - I J—I—I - I—I—I—I—I—:—I—I—: - 1—I—I :—I—I—:—I—I—I—I—I—■—I—I—I “0 - sw 1—I—I——I—I—I—r ■r■ -T 11 2-Tĩiaa - Swig hi>*r tiTO-HiSiijv.rwr ỈỈVĨìBMS.taH »0W'.b« Bnoj.(1B.T1W T"ì i.Thn Til £S& Mi 1» 2M- EX- "3 ÍTC - : : TE M K X R 1» a - ! ■ ■ - - - ! - I - - - ! - > - > ■ - > ! ! > - - I - I I - T X +? Học viên: Lê Hồng Khanh - MSHV: 7140788 X -H Trang 10 Luận văn tôt nghiệp - ỉcata U-.H ■ n STWI ' KW ■ •■< mụ' t+r 1W- H P| Ir .■ ft V HWftl- !■■« !■■».- + -2 iMrtl J.ll.r.l ■ • lliL Hfflr EDX: ❖ STO 800°C, Học viên: Lê Hồng Khanh - MSHV: 7140788 Trang 10 Luận văn tôt nghiệp i’rciprt ntalH ■?* w Sp*ca*urr crfrifcLiM-i rwt wot* OU,VỈÌ tau Pr'Z**í KLíOu -1 dMWTE ;■;>!« INHM4KI Kư bw ■1 ÍUMKU o Uu tã K A ÍM li lị a Sil- Hư.nmiuo.' □ wr»re MEElkM O( :1SL BJ3 711 Mil ÉĨ.H líl an ZLT Ìùủđũ i LL ■ r’l 1—1I - 1-r ■III —IẶ ỉ :■ M Si«» tìT ítí iư w ù »» ❖ 5%S-STO Học viên: Lê Hồng Khanh - MSHV: 7140788 SfMCỀn«l ĩ L i _ Trang 10 Lun tụt nghip 'Oi.EL.uXMrAM Project L ifôcr J- iawyKfc, U! =11; -i ■ !■ tai'll f! ,-t3 iXMLKt •*J—t4T -st imnicru • j 14:00 UTR M ■ux>«r*< ũ Siíii L-AI >l*ỹ-.L-íújy í EtH 3j«-ưasiií»«w Ti 14W>S1II iã:D3 AM èLTtB^t AôCWT* ô3^1 HF ô3 043 k i-.M Ơ1.1.3 JC ■>14 ft£i Ĩ2.Ĩ? 1D.2E CsnriTMíE 1« Ít >'2 J-M*tM?12««M *Ỉ.M ~:tac !Ĩ.JL uXiũũ ❖ 10%S-STO Học viên: Lê Hồng Khanh - MSHV: 7140788 Trang 10 Luận văn tôt nghiệp te pMAi jnrt±«d AraciuỂ-1!:am 11 a-HTa~ii.ajHJi-a02 L iKtm BO AM z r«H L L2K AM Tl u lr^vt-un U OŨ aW Sr u-Xf7-39W 12-ỦC AU ĩarm-ỉ Aâ-nr^i □1 25 5Í M-3 Sa ỈU 1HT Ĩ1K 3£» LftX aa re K sa *L -VJ L+rr->-' IH' ■J :-CM M] roũjm ŨCCŨ I1M BET: Học viên: Lê Hồng Khanh - MSHV: 7140788 Trang 10 Luận văn tơt nghiệp OpmataJKi' TC n«ac 11-W* **g* JMMK ĨW—GUI Ĩ □nerajuxutti Díu 11" nmaara: c ;1 III! _L ! ỉ %V.ijsreartrtSẼal» ĨAmpx^ture 77 3W)c 1Ê2M Jự CrMk S«H Ĩ