Tổng hợp, xác định đặc trưng cấu trúc và tính chất quang xúc tác của hạt nano composit zro2 cuo pha tạp ce bằng phương pháp thủy nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÝ THỊ VÂN TỔNG HỢP, XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA HẠT NANO COMPOSIT ZrO2.CuO 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 LÝ THỊ VÂN TỔNG HỢP, XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA HẠT NANO COMPOSIT ZrO2.CuO PHA TẠP Ce BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Ngành: Hóa phân tích Mã ngành: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Chu Mạnh Nhương THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: "Tổng hợp, xác định đặc trưng cấu trúc tính chất quang xúc tác hạt nano composit ZrO2.CuO pha tạp Ce phương pháp thủy nhiệt" thân thực Các số liệu, kết đề tài trung thực Nếu sai thật xin chịu trách nhiệm Thái Nguyên, tháng năm 2020 Tác giả luận văn Lý Thị Vân i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành Hóa Phân tích, Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, em nhận ủng hộ, giúp đỡ thầy giáo, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo, giáo Ban Giám hiệu, phịng Đào tạo, khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Chu Mạnh Nhương, khoa Hóa học trường ĐHSP - ĐHTN, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu để em hồn thành luận văn Luận văn nhận giúp đỡ thực phép đo Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến NCS Phạm Văn Huấn - Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) - Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ nhiệt tình trình nghiên cứu thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn UBND tính Lạng Sơn, Sở Nội vụ Lạng Sơn, Sở Giáo dục & Đào tạo Lạng sơn trường THPT Bình Gia (huyện Bình Gia, tỉnh Lạng Sơn) tạo điều kiện thuận lợi cho trình nghiên cứu đề tài khoa học hồn thành khóa học Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân hạn chế, nên kết nghiên cứu em cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2020 Tác giả Lý Thị Vân ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ TẮT vi HIỆU, CÁC DANH MỤC CHỮ VIẾT CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU .1 Lí chọn đề tài Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận Bố cục luận .3 văn văn Chương 1: TỔNG .4 QUAN 1.1 Vật liệu nano .4 1.1.1 Giới thiệu nano .4 1.1.2 Một số ứng dụng vật vật liệu liệu nano 1.2 Cơ chế phản ứng quang xúc tác 1.3 Vật liệu nano ứng .6 dụng quang xúc tác 1.3.1 Vật liệu nano TiO2 1.3.2 Vật liệu nano ZnO tác ứng dụng quang xúc 1.4 Giới thiệu ZrO2 .8 1.4.1 Tính chất vật lý ZrO2 .8 1.4.2 Tính chất quang tính xúc chất tác hóa học của ZrO2 1.5 Giới thiệu .9 1.5.1 Tính chất vật lý .9 tính 1.5.2 Tính chất quang 10 chất xúc hóa tác CuO học của CuO CuO 1.6 Giới thiệu CeO2 11 1.6.1 Tính chất CeO2 11 1.6.2 Tính chất quang 11 xúc tác CeO2 1.7 Giới thiệu xanh metylen (MB) 12 1.8 Ứng dụng quang xúc vật liệu nano nước .12 1.9 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano 15 1.9.1 Phương pháp thủy nhiệt 15 1.9.2 Phương pháp đồng kết tủa .16 1.9.3 Phương pháp sol - gel 16 1.9.4 Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polime 17 1.9.5 Phương pháp đồng tạo phức 17 Chương 2: THỰC NGHIỆM 18 2.1 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất 18 2.1.1 Thiết bị 18 2.1.2 Dụng cụ 18 2.1.3 Hóa chất 18 2.2 Quy trình chế tạo mẫu .19 2.3 Quá trình thử nghiệm quang xúc tác 22 2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis 22 2.3.2 Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn xác định MB 23 2.3.3 Ảnh hưởng thời gian phân hủy MB vật liệu ZrO2/CuO/x %Ce .24 2.3.4 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce đến hiệu suất phân hủy MB 24 2.3.5 Ảnh hưởng nồng độ MB đến hiệu suất phân hủy MB vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce .24 2.3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất phân hủy MB vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce .25 2.4 Các phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu 25 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 26 2.4.3 Phương pháp phổ UV-Vis-DRS 26 2.4.4 Phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscopy) truyền qua TEM (Transmission Electron Microscopy) 26 2.4.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt BET (Brunauer - Emmett -Teller) 26 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Hình thái cấu trúc vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce 27 3.1.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu ZrO2/CuO/x %Ce 27 3.1.2 Phổ hồng ngoại vật liệu ZrO2/CuO pha tạp không pha tạp Ce 28 3.1.3 Diện tích bề mặt kích thước mao quản vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce 30 3.1.4 Phổ phản xạ UV-Vis-DRS vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce 31 3.1.4 Kết phân tích ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .32 3.1.5 Kết phân tích ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 33 3.2 Khảo sát tính chất quang xúc tác vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce 34 3.2.1 Khảo sát bước sóng tối ưu xây dựng đường chuẩn xác định MB 34 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả quang xúc tác vật liệu .35 3.2.3 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến tính quang xúc tác .42 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ MB đến tính quang xúc tác vật liệu .50 3.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả quang xúc tác 57 3.3 Động học phân hủy xanh metylen chế quang xúc tác 61 3.3.1 Động học phân hủy xanh metylen .61 3.3.2 Cơ chế quang xúc tác 65 KẾT LUẬN .67 KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 68 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC Các kết nghiên cứu luận văn cho thấy, vật liệu ZrO2/CuO/x%Ce có tiềm năng, triển vọng cao ứng dụng thực tiễn xử lý nguồn nước môi trường ô nhiễm chất màu KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Sử dụng đèn Led công suất cao để tăng tốc độ giảm thời gian phản ứng quang xúc tác phân hủy MB Mở rộng thăm dò ứng dụng vật liệu nano composit ZrO2/CuO/x%Ce làm quang xúc tác phân hủy chất màu hữu khác gây ô nhiễm nguồn nước Sử dụng thêm phép đo đánh giá thành phần (EDS) nghiên cứu đặc tính điện hóa, thăm dị tính chất huỳnh quang để có hiểu biết sâu vật liệu nano composit ZrO2/CuO/x%Ce nhằm triển khai ứng dụng thực tiễn DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Chu Mạnh Nhương, Phan Văn Huấn, Nguyễn Thị Minh Tâm, Lý 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 KHCN ĐHTN, T.225, S.6, Tr.375-380 (ISSN 1859-2171) TÀI LIỆU THAM KHẢO I TIẾNG VIỆT Đặng Thế Anh (2016), Loại bỏ phẩm màu hữu vật liệu thải biến tính, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học khoa học tự nhiên - ĐHQG Hà Nội Phạm Đức Doãn, Nguyễn Thế Ngơn (2008), Hóa Học ngun tố phóng xạ, NXB ĐHQG Phạm Văn Huấn, Bùi Thị Hoàn, Hồng Như Vân, Nguyễn Ngọc Trung, Phương Đình Tâm, Phạm Hùng Vượng (2017), 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 Phạm Văn Huấn, Nguyễn Đắc Thơng, Chu Mạnh Nhương, Bùi Thị Hồn, Nguyễn Việt Tùng, Bùi Thị Huệ, Cao Xuân Thắng, Phạm Hùng Vượng (2019), “Ảnh hưởng nồng độ Li+, Ca2+, Al3+ đến tính chất quang hạt nano ZrO2”, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học Vật liệu toàn quốc SPMS - 2019, Quyển 2, trang 654-656, NXB Bách Khoa Hà Nội, ISBN: 978-604-98-7506-9 Nguyễn Thị Thanh Huệ (2016), Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc oxit nano MnAl2O4, MnFe2O4 bước đầu thăm dò ứng dụng chúng, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐHSP-ĐHTN 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 Nguyễn Trung Kiên (2019), Xác định tạp chất ZrCl4 phương pháp ICP- MS, tinh chế ZrO2, chế tạo vật liệu Zr(HPO4)2 nano bước đầu thăm dị xử lí mơi trường, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐHSP-ĐHTN Dương Thị Lịm (2013), Nghiên cứu tổng hợp số oxit hỗn hợp kích thước nanomet hệ đất hiếm-mangan khảo sát khả hấp phụ amoni, asen, sắt, mangan nước sinh hoạt, Luận án tiến sĩ, Viện hóa học - Viện hàn lâm khoa học cơng nghệ Việt Nam Hồng Nhâm (2001), Hóa học vơ tập 3, NXB Giáo Dục 10 Trần Thị Thu Phương (2015), Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA-15 làm chất hấp phụ xúc tác quang phân hủy số hợp chất hữu ô nhiễm mơi trường nước, Luận án tiến sĩ hóa học, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế 11 Bùi Minh Quý (2015), Nghiên cứu tổng hợp compozit PANi phụ phẩm nông nghiệp để xử lý kim loại nặng Pb(II), Cr(VI) Cd(II), Luận án tiến sĩ hóa học, Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 12 Nguyễn Thị Anh Thư (2016), Nghiên cứu biến tính graphen oxit dạng khử sắt oxit ứng dụng, Luận án tiến sĩ hóa học, Trường Đại học sư phạm - Đại học Huế 13 Nguyễn Thị Linh Trang (2019), Nghiên cứu hấp phụ số thuốc nhuộm đá ong biến tính, Luận văn thạc sĩ Trường ĐHSP-ĐHTN 14 Phạm Minh Tứ (2019), Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng đánh giá hoạt tính quang xúc tác hệ vật liệu tổ hợp sở nano TiO2/(CNT, ZnO, SiO2), Luận án tiến sĩ hóa học, Viện hóa học công nghiệp Việt Nam II TIẾNG ANH 15 Nguyen Phi Hung, Bui Thi Mai Lam, Mai Thi Tuong Vy and Nguyen Van Nghia (2012), ”Synthesis and characterizations of photocatalytic material SBA-15-TiO2” The 6th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology IWAMSN, Ha Long City, Vietnam 16 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 11(3), pp 762-766 17 C Ge, C Xie, M Hu, Y Gui, Z Bai D Zeng (2007), Structural nanoparticles, Materials Science and Engineering B 141, pp 43-48 18 E.S Agorku, A.T Kuvarega, B.B Mamba, A.C Pandey, A.K Mishra (2015), Enhanced visible-light photocatalytic activity of multi-elements-doped ZrO2 for degradation of indigo carmine, Journal of Rare Earths 33(5), pp 498-506 19 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 15, pp 308-313 20 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 92, pp 154-156 21 M K Trivedi, S Patil, R M Tallapragada (2014), Atomic, Crystalline and Powder Characteristics of Treated Zirconia and Silica Powders, Journal of Material Sciences & Engineering, 3:144, pages 22 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 35(1), pp 72-77 23 R.R Muthuchudarkodi and C Vedhi (2013), Synthesis and characterization of nano CuO-ZrO2 mixed oxide, Advanced Materials Research 678, pp 50-55 24 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 12( 1), pp 81-89 25 S Kalal1, A Pandey1, R Ameta, P B Punjabi (2016), Heterogeneous photoFenton-like catalysts Cu2V2O7 and Cr2V4O13 for an effient removal of azo dye in water, Cogent Chemistry, 2:1143344, 12 pages 26 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 (2), pp 818823 27 T D Ciftc (2017), Adsorptive properties of Fe3O4/Ni/NixB nanocomposite coated nutshell for the removal of arsenic (III) and arsenic (V) from waters, Cogent Chemistry, 3: 1284296, 15 pages 28 X Chen , X Wang and X Fu (2009), Hierarchical macro/mesoporous TiO2/SiO2 and TiO2/ZrO2 nanocomposites for environmental photocatalysis, Energy & Environmental Science (2), pp 872-877 29 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 112, pp 90-93 30 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 622, pp 86-98 PHỤ LỤC Phụ lục Giản đồ XRD mẫu ZrO2/CuO/0%Ce Phụ lục Giản đồ XRD mẫu ZrO2/CuO/2%Ce Phụ lục Giản đồ XRD mẫu ZrO2/CuO/6%Ce Phụ lục Giản đồ XRD mẫu ZrO2/CuO/8%Ce Phụ lục Giản đồ XRD mẫu ZrO2/CuO/10%Ce Phụ lục Các thông số BET vật liệu nano composit ZrO2/CuO Phụ lục Các thông số BET vật liệu nano composit ZrO2/CuO/2%Ce ... tài: "Tổng hợp, xác định đặc trưng cấu trúc tính chất quang xúc tác hạt nano composit ZrO2. CuO pha tạp Ce phương pháp thủy nhiệt" Mục tiêu đề tài - Tổng hợp vật liệu nano composit ZrO2/ CuO khơng... TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÝ THỊ VÂN TỔNG HỢP, XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA HẠT NANO COMPOSIT ZrO2. CuO PHA TẠP Ce BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Ngành: Hóa phân tích Mã ngành:... có pha tạp Ce phương pháp thủy nhiệt - Xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu ZrO2/ CuO khơng có pha tạp Ce - Nghiên cứu tính chất quang xúc tác phân hủy chất màu MB vật liệu ZrO2/ CuO không có pha