Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composit zro2 zno pha tạp ce bằng phương pháp thủy nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ MINH TÂM TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO COMPOSIT ZrO2.ZnO PHA TẠP Ce BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ MINH TÂM TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO COMPOSIT ZrO2.ZnO PHA TẠP Ce BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Giảng viên hướng dẫn khoa học: TS Chu Mạnh Nhương THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Chu Mạnh Nhương Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Thị Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành phịng thí nghiệm khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Chu Mạnh Nhương người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Ban giám hiệu, Bộ phận Sau đại học, phịng Đào tạo, Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập nghiên cứu thực đề tài Xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực nghiệm hoàn thành luận văn Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Minh Tâm MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Một số phương pháp điều chế vật liệu nano .2 1.1.1 Phương pháp đồng kết tủa 1.1.2 Phương pháp sol-gel 1.1.3 Phương pháp tổng hợp đốt cháy 1.1.4 Phương pháp thủy nhiệt 1.2 Tổng quan vật liệu nano ứng dụng chúng 1.2.1 Tổng quan vật liệu nano .4 1.2.2 Ứng dụng vật liệu nano .6 1.2.3 Một số kết nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano 1.3 Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 10 1.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 10 1.3.2 Phương pháp phổ UV-Vis-DRS 11 1.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) truyền qua (TEM) 12 1.3.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) 14 1.3.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 15 1.3.6 Phương pháp phổ hấp thụ quang phân tử UV - Vis 16 1.4 Giới thiệu ZnO .17 1.5 Giới thiệu ZrO2 18 1.6 Giới thiệu CeO2 20 1.7 Metylen xanh 21 Chương 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất 22 2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 22 2.1.2 Hóa chất 23 2.2 Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc vật liệu phương pháp thủy nhiệt 23 2.2.1 Tổng hợp vật liệu ZrO2/ZnO/x%Ce 23 2.2.2 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu ZrO2/ZnO/x%Ce .25 2.3 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất màu vật liệu nano ZrO2/ZnO/x%Ce 25 2.3.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MB .25 2.3.2 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy MB xúc tác ZrO2/ZnO/x%Ce 26 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu 28 3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) truyền qua (TEM) 29 3.3 Nghiên cứu phổ FT-IR .31 3.4 Diện tích bề mặt vật liệu 32 3.5 Nghiên cứu phổ UV-Vis-DRS vật liệu 33 3.6 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB mẫu vật liệu .35 3.6.1 Xác định bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn xác định MB 35 3.6.2 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu 36 3.6.3 Ảnh hưởng nồng độ MB 42 3.6.4 Ảnh hưởng nhiệt độ phân hủy MB 48 3.6.5 Ảnh hưởng thời gian phân hủy MB .52 3.7 Giải thích chế quang xúc tác vật liệu 58 3.8 Nghiên cứu động học trình phân hủy MB 59 KẾT LUẬN .62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 67 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BET Brunauer - Emmett - Teller Ce Cerium Eg Energy band gap FT-IR Fourrier Transformation InfraRed Phổ hồng ngoại MB Methylene Blue Xanh metylen Minute Phút SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TEM Phổ đo diện tích bề mặt Xeri Năng lượng vùng cấm Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua UV - Vis UltraViolet - Visble Phổ tử ngoại - khả kiến XRD X-Ray powder Diffraction Nhiễu xạ tia X Zr Zirconium Zirconi Zn Zinc Kẽm CCS Have lighting Có chiếu sáng đèn Led 30W KCS No lighting Không chiếu sáng Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Số sóng dao động hóa trị (cm-1) nhóm nguyên tử thường gặp 15 Bảng 3.1 Các thông số BET mẫu nano compozit 33 Bảng 3.2 Giá trị độ hấp thụ quang dung dịch đường chuẩn MB 36 Bảng 3.3 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu ZrO2/ZnO đến hiệu suất xử ly MB khơng có chiếu đèn Led 180 phút 38 Bảng 3.4 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce đến hiệu suất xử ly MB khơng có chiếu đèn Led 180 phút 40 Bảng 3.5 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu ZrO2/ZnO/3%Ce ZrO2/ZnO/7%Ce đến hiệu suất xử ly MB 41 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nồng độ MB đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO khơng có chiếu đèn Led 180 phút 43 Bảng 3.7 Ảnh hưởng nồng độ MB đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce khơng có chiếu đèn Led 180 phút 45 Bảng 3.8 Ảnh hưởng nồng độ MB đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO/3%Ce ZrO2/ZnO/7%Ce 46 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO khơng có chiếu đèn Led, 180 phút 49 Bảng 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce khơng có chiếu đèn Led 180 phút 51 Bảng 3.11 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất xử ly MB vật liệu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ZrO2/ZnO khơng có chiếu đèn Led, 180 phút 53 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Bảng 3.12 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất xử ly MB vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce không có chiếu đèn Led 180 phút 56 Bảng 3.13 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất phân hủy MB vật liệu ZrO2/ZnO/3%Ce ZrO2/ZnO/7%Ce 57 Bảng 3.14 Giá trị ln(Co/C) theo thời gian có mặt ZrO2/ZnO ZrO2/ZnO/5%Ce 61 ánh sáng đèn Led, hiệu suất phân hủy MB tăng cao Khi % mol Ce pha tạp lớn, hiệu suất phân hủy MB cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hồng Nhâm (2001), Hóa học vơ tập 3, Nhà xuất Giáo Dục Nguyễn Văn Chi cộng (2017), “Chế tạo lớp màng kép oxit zirconi/silan tiền xử ly bề mặt thép cho lớp phủ hữu cơ”, Tạp chí Hóa học, 55(3e12), tr 12-16 Nguyễn Văn Chi cộng (2017), “Khảo sát ảnh hưởng thời gian nhúng pH đến đặc trưng tính chất lớp tiền xử ly kích thước nanomet oxit zirconi thép CT3”, Tạp chí Hóa học, 55(3e12), tr - 11 Nguyễn Thị Minh Diệp cộng (2015), “Nghiên cứu ứng dụng phân hủy chất màu công nghiệp thực phẩm vật liệu xúc tác quang hóa khả kiến Zn/ZnO/TiO2-Ag”, Tạp chí hóa học, tr 289 - 294 Nguyễn Thị Tố Loan (2011), Nghiên cứu chế tạo số nano oxit sắt, mangan khả hấp thụ asen, sắt, mangantrong nước sinh hoạt, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano - Cơng nghệ vật liệu nguồn, Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Nguyễn Hữu Đĩnh Đỗ Đình Rãng (2003), Hóa hữu tập 1, Nhà xuất Giáo Dục Nguyễn Hữu Phú (1998), Giáo trình hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu vô mao quản, Nhà xuất Khoa học - Kĩ thuật, Hà Nội Phạm Đức Dỗn, Nguyễn Thế Ngơn (2008), Hóa Học ngun tố phóng xạ, Nhà xuất Đại học Quốc Gia 10 Phạm Ngọc Nguyên (2004), Giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 11 Phạm Văn Huấn, Bùi Thị Hồn, Hồng Như Vân, Nguyễn Ngọc Trung, Phương Đình Tâm, Phạm Hùng Vượng (2019), “Khảo sát tính chất quang quang xúc tác hạt nano ZrO2 pha tạp La”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học Vật liệu toàn quốc 12 Phạm Văn Thịnh (2019), Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ tính graphit việt nam ứng dụng xử lý môi trường ô nhiễm màu hữu cơ, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 13 Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV - Vis, Nhà sản xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 14 Võ triều Khải (2014), Tổng hợp nano kẽm oxit có kiểm sốt hình thái số ứng dụng, Luận án tiến sĩ hóa học, Trường Đại học Khoa học Đại học Huế 15 Vũ Đăng Độ (2011), Các phương pháp vật lí hóa học, Nhà xuất Giáo Dục 16 Vũ Thị Kim Thanh (2012), Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy vật liệu tổ hợp quang xúc tác biến tính từ TiO2 thuốc trừ sâu, Luận văn thạc sỹ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh 17 B N Dole, V D Mote, V R Huse, Y Purushotham, M K Lande, K M Jadhav, S S & Shah (2011), "Structural studies of Mn doped ZnO nanoparticles", Current Applied Physics, Vol 11(3), pp.762 - 766 18 Chen Xiaoqing, Wu Zhangshen, Liu Dandan, Gao Zhen ZH (2017), "Preparation of ZnO photocatalyst for the efficient and rapid photocatalytic degradation of azo dyes.", Nanoscale research letters, 12, pp.143 - 146 19 C Ge, C Xie, M Hu, Y Gui, Z Bai D Zeng (2007), “Structural characteristics and UV-light enhanced gas sensitivity of La-doped ZnO nanoparticles”, Materials Science and Engineering B, Vol 141, pp 43 48 20 Gurushantha, L Renuka, KS Anantharaju, YS Vidya, HP Nagaswarupa (2017), "Photocatalytic and photoluminescence studies of ZrO2/ZnO nanocomposite for LED and waste water treatment applications" Materials Today: Proceedings 4.11, pp 11747 - 11755 21 M He, H Jiu, Y Liu, Y Tian, D Li, Y Sun, G Zhao (2013), “Controllable synthesis of ZnO microstructures with morphologies from rods to disks Materials”, Letters, Vol 92, pp 154 - 156 22 Kwon Oh Hyun, Lee Junho, Jeong Hu Young, Kwon Young-il, Joo Jong Hoon, Kim Hongjin (2017), "Investigation of the electrical conductivity of sintered monoclinic zirconia (ZrO2)", Ceramics International, 43, 11, pp 8236 - 8245 23 L ArunJose, J M Linet, V Sivasubramanian, K Arora, C JustinRaj, T Maiyalagan, S JeromeDas (2012), “Optical studies of nano-structured La- doped ZnO prepared by combustion method”, Materials Science in Semiconductor Processing, Vol 15, pp 308 - 313 24 E.S Agorku, A.T Kuvarega, B.B Mamba, A.C Pandey, A.K Mishra (2015), “Enhanced visible-light photocatalytic activity of multi-elementsdoped ZrO2 for degradation of indigo carmine”, Journal of Rare Earths, 33, Issue 5, pp 498 - 506 25 Pham Van Huan, Phuong Dinh Tam, Nguyen Thi Ha Hanh, Cao Xuan Thang, Vuong-Hung Pham (2019), “The role of Cu2+ Concentration in Luminescence Quenching of Eu3+/Cu2+ Co-doped ZrO2 Nanoparticles”, VNU Journal of Science: Mathematics - Physics, Vol 35, No 1, pp 72 - 77 26 Renuka, KS Anantharaju, YS Vidya, HP Nagaswarupa (2017), "A simple combustion method for the synthesis of multi-functional ZrO2/CuO nanocomposites: Excellent performance as Sunlight photocatalysts and enhanced latent fingerprint detection", Applied Catalysis B: Environmental 210, pp 97 - 115 27 S Aghabeygi, Z Sharifi, N Molahasani (2017), “Enhanced photocatalytic property of nano-ZrO2-SnO2 NPS for photodegradation of an azo dye”, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol 12, Issue 1, pp 81 - 89 28 S S K Ma, K Maeda and K Domen (2012), “Modification of TaON with ZrO2 to improve photocatalytic hydrogen evolution activity under visible light: influence of preparation conditions on activity”, Catal Sci Technol., Vol 2, pp 818 - 823 29 Y S Vidya, K Gurushantha, H Nagabhushana, S C Sharma, K S Anantharaju, C Shivakumara, D Suresh, H P Nagaswarupa, S C Prashantha, M R Anilkumar (2015), “Phase transformation of ZrO2:Tb3+ nanophosphor: Color tunable photoluminescence and photocatalytic activities”, Journal of Alloys and Compounds, Vol 622, pp 86 - 98 30 X Chen , X Wang and X Fu (2009), “Hierarchical macro/mesoporous TiO2/SiO2 and TiO2/ZrO2 nanocomposites for environmental photocatalysis”, Energy & Environmental Science, Vol 2, pp 872 - 877 31 X Wang, B Zhai, M Yang, W Han, X Shao (2013), “ZrO2/CeO2 nanocomposite: Two step synthesis, microstructure, and visible-light photocatalytic activity”, Materials Letters, Vol 112, pp 90 - 93 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Chu Mạnh Nhương, Phạm Văn Huấn, Nguyễn Thị Minh Tâm, Ly Thị Vân, Bùi Văn Ly (5/2020), “Tổng hợp nano compozit ZrO2/ZnO ZrO2/CuO pha tạp Ce4+ ứng dụng xúc tác quang hóa”, Tạp chí Khoa học Công Nghệ - Đại học Thái Nguyên, 225(6), tr 375 - 380 PHỤ LỤC Phụ lục Giản đồ XRD vật liệu ZrO2/ZnO Phụ lục Giản đồ XRD vật liệu ZrO2/ZnO/3%Ce Phụ lục Giản đồ XRD vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce Phụ lục Giản đồ XRD vật liệu ZrO2/ZnO/7%Ce Phụ lục Giản đồ XRD vật liệu ZrO2/ZnO/9%Ce Phụ lục Kết đo BET vật liệu ZrO2/ZnO Phụ lục Kết đo BET vật liệu ZrO2/ZnO/5%Ce ... SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ MINH TÂM TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO COMPOSIT ZrO2. ZnO PHA TẠP Ce BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Ngành: Hóa phân tích Mã... 2.2 Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc vật liệu phương pháp thủy nhiệt 23 2.2.1 Tổng hợp vật liệu ZrO2/ ZnO/ x %Ce 23 2.2.2 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu ZrO2/ ZnO/ x %Ce .25 2.3 Khảo sát hoạt tính. .. Ce nano compozit ZrO2/ ZnO chưa đầy đủ hệ thống Trên sở đó, chúng tơi hướng đến ? ?Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano composit ZrO2. ZnO pha tạp Ce phương