Trong nghiên cứu này, các tác giả tổng hợp hạt nano Titan đioxit (TiO2) pha tạp vanadi (V) bằng phương pháp sol-gel xitrat và nghiên cứu hoạt tính xúc tác bằng phản ứng quang hóa phân hủy p-nitrophenol. Mời các bạn cùng tham khảo.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1A, pp 168-173 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA HẠT NANO TiO2 PHA TẠP V VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ p-NITROPHENOL Trần Minh Đức Khoa Hóa học, Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt Trong nghiên cứu này, tổng hợp hạt nano Titan đioxit (TiO2 ) pha tạp vanadi (V) phương pháp sol-gel xitrat nghiên cứu hoạt tính xúc tác phản ứng quang hóa phân hủy p-nitrophenol Nghiên cứu cho thấy TiO2 pha tạp kim loại V với thành phần từ 0,1% đến 0,7% làm chuyển dịch bước sóng hấp thụ vật liệu sang vùng khả kiến (460 nm đến 480 nm) làm tăng cường hoạt tính xúc tác quang hóa Kết cho thấy TiO2 với 0,5% V có hoạt tính quang hóa cao nhất, hỗn hợp hợp sau ứng dụng thiết bị phản ứng gián đoạn để oxi hóa chất hữu độc hại p-nitrophenol có mơi trường ánh sáng khả kiến với hiệu cao Kết nghiên cứu cho thấy TiO2 pha tạp V ứng dụng rộng rãi xúc tác quang hóa, đặc biệt cơng nghệ xử lí mơi trường Từ khóa: TiO2 , p-nitrophenol, pha tạp V Mở đầu TiO2 ứng dụng việc phân huỷ nước phương pháp quang hóa kể từ phát minh hai nhà khoa học người Nhật, Fujishima Honda vào năm 1972 [2] Đến năm 1977, TiO2 nhóm nghiên cứu ứng dụng để phân huỷ xianua nước [2] Sau đó, việc nghiên cứu, ứng dụng xúc tác quang ngày ý, có lĩnh vực xử lí nước thải Với hoạt tính xúc tác quang hóa cao TiO2 nhà khoa học kỉ XXI không ngừng nghiên cứu loại xúc tác mục đích bảo vệ xử lí mơi trường Đã có nhiều cơng trình giới cho thấy pha tạp TiO2 kim loại phi kim làm chuyển dịch bước sóng hấp thụ vật liệu sang vùng khả kiến dẫn đến mở rộng phạm vi ứng dụng TiO2 Một hướng nghiên cứu gần nhà khoa học quan tâm sử dụng TiO2 làm xúc tác quang hóa phân hủy hợp chất bền sinh học để bảo vệ xử lí mơi trường Nhiều nghiên cứu giới nhiều chất thải hữu nước bị khống hóa hoàn toàn Liên hệ: Trần Minh Đức, e-mail: ductran162hnue@gmail.com 168 Tổng hợp nghiên cứu tính chất số poli(ete-este) xuất phát từ vanilin TiO2 có chiếu sáng Tuy nhiên Việt Nam vấn đề nghiên cứu TiO2 ứng dụng xử lí mơi trường chưa nghiên cứu nhiều Trong nghiên cứu này, để tăng hiệu xúc tác quang TiO2 tổng hợp TiO2 pha tạp V phương pháp sol-gel xitrat nghiên cứu cấu trúc chúng Bên cạnh chúng tơi nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa hạt nano TiO2 pha tạp V với phản ứng oxi hóa phân hủy p-nitrophenol ánh sáng mặt trời Nội dung nghiên cứu 2.1 Thực nghiệm Hóa chất , dụng cụ Hóa chất TiCl4 độ tinh khiết 99,9%, hóa chất V(NO3 )5 , dung dịch NH3 25%, p-nitrophenol, metanol sử dụng nghiên cứu loại tinh khiết Các dụng cụ thủy tinh chuẩn hóa lại thể tích có độ xác thỏa mãn Các loại pipet, micropipet, bình định mức hãng Merck Đức sản xuất Thiết bị Máy khuấy từ gia nhiệt, tủ sấy, lò nung, máy đo pH, máy cất nước Halminton Máy sắc kí lỏng hiệu cao HPLC (High performance liquid chromatography), sử dụng cột ODS C18 detector hấp thụ tử ngoại SPD-20A-UV-VIS Chế tạo vật liệu nano TiO2 Chúng tiến hành tổng hợp hạt nano TiO2 TiO2 pha tạp V phương pháp sol-gel xitrate theo sơ đồ Hình [4] Hình Sơ đồ khối tổng hợp TiO2 theo phương pháp sol-gel xitrat 169 Trần Minh Đức Để đánh giá đặc tính hố lí vật liệu, chúng tơi sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp điện tử quét (SEM) phương pháp hấp phụ để nghiên cứu cấu trúc mẫu TiO2 pha tạp tổng hợp Kết Hình Phản ứng xúc tác quang phân huỷ p-nitrophenol Trong thí nghiệm, 80 ml dung dịch huyền phù TiO2 chứa p-nitrophenol có nồng độ đầu 4,57 mg/L sục khơng khí 30 phút (trong bóng tối) để p-nitrophenol hấp phụ bão hòa bề mặt TiO2 Sau hỗn hợp phản ứng chiếu ánh sáng mặt trời (ASMT) khoảng thời gian từ 10 đến 15 (300 phút) Hỗn hợp khuấy trình chiếu sáng Sau khoảng thời gian xác định, mẫu lấy phân tích máy sắc kí lỏng hiệu cao (HPLC) với điều kiện phân tích: tốc độ dịng 0,75 mL/phút, bước sóng xác định 275nm, tỉ lệ dung môi 30% CH3 OH - 70% H3 PO4 (pH=2) 2.2 Kết thảo luận 2.2.1 Đặc tính vật liệu Các đặc tính màu sắc, diện tích bề mặt riêng, thành phần pha kích thước tinh thể hạt nano TiO2 TiO2 pha tạp V theo tỉ lệ khác trình bày bảng hình Từ bảng cho thấy màu hạt nano TiO2 pha V có màu vàng đậm dần Hình cho thấy hạt TiO2 tổng hợp đơn pha, có cấu trúc tinh thể dạng anatase kích thước tinh thể tính theo cơng thức Scherrer khoảng 14-25 nm Giản đồ nhiễu xạ không thấy xuất pic lạ oxit pha tạp mà có pic TiO2 Như nguyên tố pha tạp thay nguyên tử Ti mạng tinh thể anatase mà khơng hình thành pha riêng STT Bảng Đặc tính hố lí mẫu xúc tác TiO2 tổng hợp SBET Kích thước Mẫu xúc tác Tỉ lệ pha Mầu sắc (m /g) hạt (nm) TiO2 không 95,6 Anatase 14 Bột mầu trắng, mịn pha tạp TiO2 pha tạp Bột mầu vàng, mịn 88,9 Anatase 17 0,1%V TiO2 pha tạp Bột mầu vàng, mịn 86,5 Anatase 16 0,3%V TiO2 pha tạp Bột mầu vàng, mịn 79,8 Anatase 17 0,5%V TiO2 pha tạp Bột mầu vàng, mịn 50,7 Anatase 25 0,7%V Hình cho thấy phân bố hạt TiO2 tổng hợp đồng đều, kích thước hạt nằm khoảng 20-25 nm Các kết phù hợp với mục tiêu tổng hợp ban đầu đặt 170 Tổng hợp nghiên cứu tính chất số poli(ete-este) xuất phát từ vanilin Hình Kết đo nhiễu xạ tia X a) b) Hình 3: Ảnh SEM (a) mẫu TiO2 pha tạp 0,5%V (b) mẫu TiO2 tinh khiết 2.2.2 Hiệu xử lí p-nitrophenol vật liệu xúc tác quang TiO2 TiO2 pha tạp V Hoạt tính xúc tác quang hoá hạt nano TiO2 TiO2 pha tạp V nghiên cứu phản ứng xử lí p-nitrophenol ánh sáng mặt trời Hàm lượng p-nitrophenol theo dõi định lượng q trình xử lí Tín hiệu p-nitrophenol sắc kí đồ phân tích HPLC Hình Kết khảo sát khả xử lí p-nitrophenol điều kiện khơng có xúc tác, có xúc tác TiO2 TiO2 pha tạp V nồng độ khác ghi Hình Bảng Hình Sắc kí đồ phân tích sản phẩm phản ứng xúc tác quang HPLC 171 Trần Minh Đức Hình Bảng cho thấy hiệu xử lí p-nitrophenol có xúc tác khơng có xúc tác khác Mẫu p-nitrophenol xử lí ASMT khơng có xúc tác hàm lượng chất bị phân hủy 17,94% Trong đó, mẫu có xúc tác đạt hiệu xuất xử lí 90% Hai mẫu TiO2 khơng pha tạp mẫu P25 cơng nghiệp có khả xử lí tương đương mẫu pha tạp V khoảng đầu chiếu sáng Các mẫu pha phạp V có khả Hình Đường biễu nồng độ p-nitrophenol cịn lại sau xử lí ASMT theo thời gian xử lí mạnh từ đầu, sau lượng p-nitrophenol bị phân hủy 70% Trong mẫu TiO2 pha tạp mẫu pha tạp 0,5% V cho thấy hiệu xử lí tốt Sau 300 phút chiếu ánh sáng mặt trời, hàm lượng p-nitrophenol bị phân hủy 99,45% Kết cho thấy ảnh hưởng V đến cấu trúc điện tử vật liệu làm giảm mức lượng vùng cấm, tăng khả hấp thụ ánh sáng khả kiến xúc tác Kết lần chứng minh hoạt tính xúc tác quang hóa mạnh hạt nano TiO2 pha tạp V phản ứng phân hủy hợp chất hữu chứa vòng thơm mở rộng ứng dụng TiO2 V vào xử lí mơi trường nước bị nhiễm hợp chất hữu Bảng Nồng độ p-nitrophenol lại sau xử lí ánh sáng mặt trời khơng có xúc tác có xúc tác TiO2 công nghiệp (P25) TiO2 pha tạp V nồng độ khác Thời Nồng độ p-nitrophenol lại (mg/L) STT gian Không TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 (phút) có TiO2 (P25) 0% V 0,1% V 0,3% V 0,5% V 0,7% V 4,57 4,57 4,57 4,57 4,57 4,57 4,57 60 4,32 4,03 4,00 3,13 3,12 3,06 3,06 120 4,07 1,70 1,74 1,26 1,35 1,18 1,46 240 3,91 0,71 0,68 0,88 0,65 0,49 0,62 300 3,75 0,35 0,36 0,66 0,07 0,02 0,09 Kết luận Chúng tổng hợp thành công hạt nano TiO2 pha tạp kim loại V với hàm lượng khác Kết nhiễu xạ tia X cho thấy hạt TiO2 tổng hợp đơn pha, có cấu trúc anatase kích thước tinh thể khoảng 14 - 25 nm, kết ảnh SEM 172 Tổng hợp nghiên cứu tính chất số poli(ete-este) xuất phát từ vanilin cho thấy hạt tổng hợp có kích thước hạt nhỏ đồng Kết nghiên cứu hấp phụ cho thấy diện tích bề mặt riêng TiO2 tổng hợp 50,7 m2 /g đến 95,6 m2 /g Phản ứng phân hủy p-nitrophenol ánh sáng mặt trời xúc tác quang TiO2 pha tạp V cho hiệu suất xử lí tốt Mẫu TiO2 pha tạp 0,5% V cho hiệu xử lí lên đến 99,45% Các kết thu chứng minh khả oxi hóa mạnh hạt nano TiO2 dạng anatase Việc pha tạp kim loại V làm chuyển dịch bước sóng hấp thụ xúc tác sang vùng khả kiến Do khả sử dụng xúc tác quang ánh sáng mặt trời việc xử lí chất bị nhiễm tiết kiệm đáng kể chi phí, góp phần vào việc xử lí nhiễm mơi trường nước Việt Nam với chi phí thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Amy L Linsebigler, Guangquan Lu and John T Yates, 1995 Photocatalysis on TiO2 surfaces: Principles Mechanisms and Selected Results, Chem Rev, 95, pp 735 - 758 [2] A Fujishima, X Zhang, 2006 Titanium dioxide photocatalysis: Present situation and future approaches Comptes Rendus Chimie, 9(5-6), pp 750 - 760 [3] Jeremy Wade, Master thesis, 2005 An investigation of TiO2 – ZnFe2 O4 nanocomposites for visible light photocatlysis Department of Electrical Engineering, College of Engineering, University of South Florida [4] Zhongqing Liu, Yanping Zhou, Zhenghua Li, Yichao Wang and Changchun Ge, 2007 Enhanced photocatlytic activity (La, N) co-doped TiO2 by TiCl4 sol-gel autoigniting synthesis Journal of University of Science and Technology Beijing, 14, pp 552 - 557 ABSTRACT The synthesis and investigation the photocatalytic properties of TiO2 nanoparticles with dop V used for the oxidation of p-nitrophenol The following is a method to synthesize Titanium oxide (TiO2 ) in the presence of Vandium (V) via sol-gel xitrate preparation and an analysis of its catalytic activity as a photocatalyst In this experiment, TiO2 in the presence of V in the range of 0.1% - 1.0% was investigated It was found that the absorption wavelength of the obtained materials shifted from ultraviolet to the visible range (460 nm - 480 nm), and this was accompanied by a significant increase in the photocatalytic activity of these materials TiO2 with 0.5% of V was found to show the highest activity, and was employed as a photocatalyst in a batch reactor for the oxidation of poisonous organic compound p-nitrophenol, under visible light with high efficiency Due to the efficacy of this application, it should be widely utilized in photocatalystic processes, especially in the field of environmental treatment technology 173 ... TiO2 pha tạp 0,5 %V (b) mẫu TiO2 tinh khiết 2.2.2 Hiệu xử lí p-nitrophenol v? ??t liệu xúc tác quang TiO2 TiO2 pha tạp V Hoạt tính xúc tác quang hoá hạt nano TiO2 TiO2 pha tạp V nghiên cứu phản ứng. .. cứu này, để tăng hiệu xúc tác quang TiO2 tổng hợp TiO2 pha tạp V phương pháp sol-gel xitrat nghiên cứu cấu trúc chúng Bên cạnh chúng tơi nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa hạt nano TiO2 pha. .. mầu v? ?ng, mịn 88,9 Anatase 17 0,1 %V TiO2 pha tạp Bột mầu v? ?ng, mịn 86,5 Anatase 16 0,3 %V TiO2 pha tạp Bột mầu v? ?ng, mịn 79,8 Anatase 17 0,5 %V TiO2 pha tạp Bột mầu v? ?ng, mịn 50,7 Anatase 25 0,7%V