Thông tin tài liệu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ Lê Thị Hải Thanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU PEROVSKITE Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ Lê Thị Hải Thanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU PEROVSKITE Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9440130.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phùng Quốc Bảo PGS TS Đặng Đức Dũng Hà Nội - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học hướng dẫn khoa học PGS TS Phùng Quốc Bảo, PGS TS Đặng Đức Dũng cộng tác nhóm nghiên cứu Các kết nghiên cứu luận án đảm bảo trung thực, khách quan chưa tác giả khác công bố cơng trình nghiên cứu hay luận án khác Ngày 19 tháng 01 năm 2020 Tác giả Lê Thị Hải Thanh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn PGS TS Phùng Quốc Bảo PGS TS Đặng Đức Dũng, người giảng dạy, định hướng nghiên cứu cho tơi q trình học tập thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Phòng Sau Đại học, Khoa Vật lý, Bộ môn Quang Lượng tử tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập nghiên cứu Trường Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Vật lý kỹ thuật, Bộ môn Vật lý Đại cương tạo điều kiện công tác thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy/Cô giáo, nhà khoa học có góp ý khoa học để tơi hoàn thành luận án tốt Xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, động viên gia đình bạn bè Ngày 19 tháng 01 năm 2020 Tác giả Lê Thị Hải Thanh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN vi LỜI CẢM ƠN vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….1 Chương QUANG XÚC TÁC VÀ HỆ VẬT LIỆU Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ 1.1 Quang xúc tác 1.1.1 Cơ chế quang xúc tác phân hủy chất hữu 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình quang xúc tác 1.2 Động học trình quang xúc tác phân huỷ chất hữu 14 1.2.1 Động học trình hấp phụ 15 1.2.2 Động học trình phân hủy 17 1.3 Phương pháp nghiên cứu phân tích đặc trưng vật liệu quang xúc tác 23 1.3.1 Nghiên cứu tính chất vật lý 23 1.3.2 Nghiên cứu tính chất quang xúc tác 28 1.3.3 Mơ tính tốn lý thuyết 32 1.4 Một số hệ vật liệu quang xúc tác 33 1.4.1 Các ơ-xít kim loại 33 1.4.2 Các hợp chất sunfua 34 1.4.3 Vật liệu sắt điện cấu trúc perovskite 34 1.4.4 Một số vật liệu quang xúc tác khác 37 1.5 Hệ vật liệu Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ 38 1.5.1 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃ 38 1.5.2 Vật liệu Bi₀.₅K₀.₅TiO₃ 42 1.5.3 Vật liệu Bi₀.₅Li₀.₅TiO₃ 44 iii 1.6 Chương Kết luận chương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ VÀ Bi₀.₅Na₀.₅MₓTi₁₋ₓO₃ Chế tạo vật liệu Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ 2.1 2.1.1 Xây dựng quy trình ch 2.1.2 Chế tạo Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃ 2.1.3 Chế tạo Bi₀.₅K₀.₅TiO₃ 2.1.4 Chế tạo Bi₀.₅Li₀.₅TiO₃ Chế tạo hệ vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅MₓTi₁-ₓ 2.2 2.2.1 Xây dựng quy trình chế 2.2.2 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅CoₓT 2.2.3 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅Mnₓ 2.2.4 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅CrₓT 2.2.5 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅FeₓT 2.3 Chương Kết luận chương TÍNH CHẤT QUANG, QUANG XÚC TÁC VÀ HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA VẬT LIỆU Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ VÀ Bi₀.₅Na₀.₅Ti1-xMxO₃ Đặc trưng quang quang xúc tác củ 3.1 3.1.1 Đặc trưng quang h 3.1.1.1 Vật liệu Bi₀.₅Li₀.₅TiO₃ 3.1.1.2 Vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃ 3.1.1.3 Vật liệu Bi₀.₅K₀.₅TiO₃ 3.1.2 Đặc trưng quang xúc t 3.1.2.1 Động học hấp phụ MB 3.1.2.2 Động học phân hủy M 3.1.2.3 Ảnh hưởng pH 3.1.2.4 Ảnh hưởng chất b 3.1.2.5 Khả tái sử dụng c 3.1.2.6 Ảnh hưởng nhiệt đ iv 3.1.3 Mô hệ vật liệu Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ lý thuyết phiếm hàm mật độ 97 3.1.3.1 Vật liệu hợp thức Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ 99 3.1.3.4 Vật liệu khuyết thiếu oxy Bi₀.₅A₀.₅TiO₃- 102 3.2 Đặc trưng quang quang xúc tác hệ vật liệu Bi₀.₅Na₀.₅MₓTi₁-ₓO₃ 107 3.2.1 Hệ Bi₀.₅Na₀.₅CoₓTi₁-ₓO₃ 107 3.2.1.1 Đặc trưng quang 107 3.2.1.2 Đặc trưng quang xúc tác 109 3.2.2 Hệ Bi₀.₅Na₀.₅ MnₓTi₁-ₓO₃ 110 3.2.2.1 Đặc trưng quang 110 3.2.2.2 Đặc trưng quang xúc tác 112 3.2.3 Hệ Bi₀.₅Na₀.₅CrₓTi₁-ₓ O₃ 113 3.2.3.1 Đặc trưng quang 113 3.2.3.2 Đặc trưng quang xúc tác 115 3.2.4 Hệ Bi₀.₅Na₀.₅FeₓTi₁-ₓO₃ 116 3.2.4.1 Đặc trưng quang 116 3.2.4.2 Đặc trưng quang xúc tác 118 3.2.5 So sánh hoạt tính xúc tác Bi₀.₅Na₀.₅Ti₁-ₓMₓO₃ 119 3.3 Hoạt tính kháng khuẩn vật liệu Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ 121 3.4 Kết luận chương 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN … …………………………………………………………………….129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC……………… P1 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên [A] Concentration BAT Bismuth Alkali BET Brunauer-Emm BFO Bismuth Ferrit BKT Bismuth Potas BLT Bismuth Lithiu BNT Bismuth Sodiu BNT-xM Bi₀.₅Na₀.₅Ti₁-ₓM BT Barium Titanat BQ Benzoquinone CBM Conduction Ba DFT Density Functi EDX Energy-dispersiv EDTA Ethylene Diam Eg Band gap h Planck constan IPA Isopropyl Alco MB Methylene Blu MO Methyl Orange STP Standard Tempe PDOS Projected Dens PZT Lead Zirconate PWScf Plane-Wave Se PBE Peerdew-Burke PTO Lead Titanate RLS Rate-Limiting S Rh6G Rhodamin 6G SC Semiconducto SEM Scanning Elec SS Steady State Ss Surface site STO Strontium Tita UV Ultraviolet UV-Vis Ultraviolet Visi VBM Valence Band v Frequency XPS X-ray Photoele XRD X-ray Diffractio vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số chất bắt gốc tự sử dụng quang xúc tác Bảng 2.1 Các tiền chất sử dụng để chế tạo hệ vật liệu BAT Bảng 2.2 Các hệ tiền chất sử dụng để chế tạo hệ vật liệu BAT Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng để chế tạo hệ vật liệu BAT theo hệ tiền chất Bảng 2.4 Hệ mẫu BAT cho khảo sát hàm lượng bù kim loại kiềm Bảng 2.5 Hệ mẫu BAT cho khảo sát nhiệt độ tạo pha với hàm lượng bù kim loại kiềm tối ưu Bảng 2.6 Định lượng hóa chất sử dụng để chế tạo 1g mẫu BAT Bảng 2.7 Các mẫu BAT hợp thức, đơn pha cấu trúc chế tạo Bảng 2.8 Các muối kim loại chuyển tiếp sử dụng để chế tạo BNT biến tính Bảng 2.9 Định lượng muối kim loại kiềm C₁₂H₂₈O₄Ti sử dụng để chế tạo 1g mẫu BNT-xM Bảng 2.10 Hệ mẫu BNT-xM chế tạo với hàm lượng bù Na 40% nhiệt độ ủ gel 900ºC Bảng 3.1 Độ rộng vùng cấm hệ mẫu BAT ủ nhiệt độ khác Bảng 3.2 Đặc trưng hấp phụ (qm, KA) theo chế Langmuir hệ BAT Bảng 3.3 Diện tích riêng bề mặt thông số phép đo BET hệ BAT Bảng 3.4 Đặc trưng quang xúc tác phân hủy MB hệ BAT Bảng 3.5 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB hệ BAT pH thay đổi Bảng 3.6 Đặc trưng động học quang xúc tác hệ BAT pH thay đổi Bảng 3.7 Hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB hệ BAT thay đổi theo chất bắt gốc tự * * Bảng 3.8 Khối lượng hiệu dụng điện tử m e lỗ trống mh vật liệu hợp thức BAT Bảng 3.9 Sự trao đổi (nhận/cho) điện tích, ΔQ, ion Bi, A, Ti O vật liệu khuyết thiếu oxy so sánh với vật liệu hợp thức tương ứng * * Bảng 3.10 Khối lượng hiệu dụng me điện tử mh lỗ trống cho vật liệu khuyết thiếu oxy BAT- Bảng 3.11 Độ rộng vùng cấm hệ BNT-xM Bảng 3.12 Hoạt tính kháng khuẩn hệ BAT viii 137 Nanocrystals”, Materials Transactions 56, pp 1339–1343 135 Tong H., Ouyang S., Bi Y., et al, (2012), “Nano-photocatalytic materials: Possibilities and challenges”, Advanced Materials 24, pp 229–251 136 Towler M.D., (2006), “The quantum Monte Carlo method”, Physica Status Solidi (B) 243, pp 2573–2598 137 Tuan N.H., Thiet D V., Odkhuu D., et al, (2018), “Defect induced room temperature ferromagnetism in lead-free ferroelectric Bi₀.₅K₀.₅TiO₃ materials”, Physica B: Condensed Matter 532, pp 108– 114 138 Umezawa N., Shuxin O., & Ye J., (2011), “Theoretical study of high photocatalytic performance of Ag3PO4”, Physical Review B Condensed Matter and Materials Physics 83, pp 035202-1-035202–8 139 Walsh A., Da Silva J.L.F., & Wei S.H., (2008), “Origins of bandgap renormalization in degenerately doped semiconductors”, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics 78, pp 1–5 140 Wang H., Zhang L., Chen Z., et al, (2014), “Semiconductor heterojunction photocatalysts: Design, construction, and photocatalytic performances”, Chemical Society Reviews 43, pp 5234–5244 141 Wang L., & Wang W., (2012), “Photocatalytic hydrogen production from aqueous solutions over novel Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃ microspheres”, International Journal of Hydrogen Energy 37, pp 3041–3047 142 Wang Y., Xu G., Yang L., et al, (2009), “Room-temperature ferromagnetism in Fe-doped Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃ crystals”, Materials Science Poland 27, pp 471–476 143 Wang Y., Xu G., Ji X., et al, (2009), “Room-temperature ferromagnetism of Co-doped Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃ : Diluted magnetic ferroelectrics”, Journal of Alloys and Compounds 475, pp 25–30 144 Wang Y., Wang J., Deng R., et al, (2018), “Preparation and photocatalytic property of porous α-Fe₂O₃ nanoflowers”, Materials Research Bulletin 107, pp 94– 99 145 Watcharapasorn A., Jiansirisomboon S., & Tunkasiri T., (2007), “Sintering of Fe-doped Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃ at < 1000°C”, Materials Letters 61, pp 2986–2989 146 Wefring E.T., Morozov M.I., Einarsrud M.A., & Grande T., (2014), “SolidState Synthesis and Properties of Relaxor (1-x)BKT-xBNZ Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society 97, pp 2928–2935 147 Wood D.L., & Tauc J., (1972), “Weak Absorption Tails in Amorphous Semiconductors”, Physical Review B 5, pp 3144–3151 148 Wu J., (2018), “Bi₀.₅Na₀.₅TiO₃-Based Piezoelectric Materials-Advances in lead-free piezoelectric materials.” In: Advances in Lead-Free Piezoelectric Materials Springer Nature Singapore Pte Ltd., Singapore, pp 191–245 149 Xie P., Yang F., Li R., et al, (2019), “Improving hydrogen evolution activity of perovskite BaTiO₃ with Mo doping: Experiments and first-principles analysis”, International Journal of Hydrogen Energy 44, pp 11695–11704 150 Xiong X., Tian R., Lin X., et al, (2015), “Formation and Photocatalytic Activity of BaTiO₃ Nanocubes via Hydrothermal Process”, Journal of Nanomaterials 2015, pp 12–15 151 Yan J., Wu G., Guan N., et al, (2013), “Understanding the effect of surface/bulk defects on the photocatalytic activity of TiO₂: Anatase versus rutile”, Physical Chemistry Chemical Physics 15, pp 10978–10988 152 Yogamalar N.R., Kalpana S., Senthil V., & Chithambararaj A., (2018), 138 “Ferroelectrics for photocatalysis.” In: Multifunctional Photocatalytic Materials for Energy Elsevier Ltd., pp 307–324 153 Zhang J., Zhou P., Liu J., & Yu J., (2014), “New understanding of the difference of photocatalytic activity among anatase, rutile and brookite TiO₂”, Phys Chem Chem Phys 16, pp 20382–6 154 Zhang W.F., Tang J., & Ye J., (2006), “Photoluminescence and photocatalytic properties of SrSnO₃ perovskite”, Chem Phys Lett 418, pp 174–178 155 Zhang X., Qin J., Xue Y., et al, (2014), “Effect of aspect ratio and surface defects on the photocatalytic activity of ZnO nanorods”, Scientific Reports 4, pp 4–11 156 Zhang Y., Hu J., Gao F., et al, (2011), “Ab initio calculation for vacancy-induced magnetism in ferroelectric Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃”, Computational and Theoretical Chemistry 967, pp 284–288 157 Zhang Z., Hossain M.F., & Takahashi T., (2010), “Self-assembled hematite (αFe₂O₃) nanotube arrays for photoelectrocatalytic degradation of azo dye under simulated solar light irradiation”, Applied Catalysis B: Environmental 95, pp 423– 429 158 Zhu X., Castleberry S.R., Nanny M.A., & Butler E.C., (2005), “Effects of pH and Catalyst Concentration on Photocatalytic Oxidation of Aqueous Ammonia and Nitrite in Titanium Dioxide Suspensions”, Environ Sci Technol 39, pp 3784–3791 159 Ziang X.-P., Yanga Q., Yua Z.-D., et al, (2010), “Microstructure and electrical properties of Li₀.₅Bi₀.₅TiO₃-modified (Na₀.₅Bi₀.₅)NbO₃ lead-free piezoelectric ceramics”, Journal of Alloys and Compounds journal 493, pp 276–280 Contents 139 PHỤ LỤC Kết khảo sát hoạt tính quang xúc tác hệ BAT BNT-xM (®v Cêng §é §é hÊp ®é hÊp thơ (®.v thơ tïy ý) tïy (®v tïy ý) ý) 1 Hoạt tính quang xúc tác hệ BAT với xạ UV (nm) (nm) (nm) BLT, pH = BLT, pH = 6,5 BLT, pH = Hình PL1 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV mơi trường có pH khác với xúc tác BLT500 BLT, BQ thụ (đv tùy ý) Độ hấp thụ (đv tùy ý) 0.2 Độ hấp 0.1 (nm) 0.0 400 (nm) BLT, BQ BLT, EDTA BLT, IPA §é hÊp thơ (®v tïy ý) Hình PL2 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV có mặt chất bắt gốc tự với xúc tác BLT500 (nm) 0.4 300 (nm) BNT, pH = BNT, pH = 6,5 BNT, pH = Hình PL3 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV mơi trường có pH khác với xúc tỏc BNT800 Độ hấp thụ (đv tùy ý) P1 0.4 BNT, BQ 0.3 0.2 0.1 0.0 300 (nm) BNT, BQ (nm) BNT, EDTA (nm) BNT, IPA §é hÊp thơ thơ absorbance (®v (®v (a.u) tïy ý) tïy ý) Hình PL4 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV có mặt chất bắt gốc tự với xúc tác BNT800 Wavelength (nm) hÊp BKT, pH = (nm) §é BKT, pH = 6,5 (nm) BKT, pH = (a.u) Absorbance Absorbance Absorbance (a.u) (a.u) Hình PL5 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV mơi trường có pH khác với xúc tác BKT500 Wavelength (nm) Wavelength (nm) BKT, BQ BKT, IPA Wavelength (nm) BKT, EDTA Hình PL6 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV có mặt chất bắt gốc tự với xúc tác BKT500 Abs Abs (a.u) (a.u) ( n m ) (nm) Abs (a.u) (nm) Hình PL7 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV sau lần tái sử dụng BKT500 môi trường bazơ P2 1.2 Hoạt tính quang xúc tác BNT-xM với xạ khả kiến 0.4 ý) BNT-0Co tïy 0.3 (®v 0' 30' 60' thơ 0.2 hÊp 90' 120' 150' §é 0.1 0.0 500 (nm) BNT-7Co tïy ý) 0.4 0.3 (®v 0' 30' 60' thơ 0.2 hÊp 90' 120' 150' §é 0.1 0.0 500 (nm) (nm) Hình PL8 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ khả kiến với xúc tác BNT-xCo 0.5 0.4 tïy ý) BNT- 0Mn, Khả kiến 0.3 (đv 0' 30' 60' thụ 0.2 90' hÊp 120' 0.1 §é 150' 0.0 300 400 500 (nm) 0.5 ý) BNT-7Mn, tùy 0.4 (đv 0.3 Độhấpthụ 0.2 0.1 0.0 300 (nm) (nm) §é hÊp §é hÊp hÊp thơ thơ thơ (®v (®v (®v tïy tïy ý) tïy ý) ý) Hình PL9 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ khả kiến với xúc tác BNT-xMn §é (nm) (nm) (nm) Hình PL10 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ khả kiến với xúc tác BNT-xCr thơ(®v tïy ý) P3 tïy ý) hÊp thụ (đv Độ Độ hấp (nm) (nm) thụ hấp (đv §é hÊp thơ hÊp thơ (®v (®v tïy tïy ý) ý) tïy ý) Hình PL11 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ khả kiến với xúc tỏc BNT-xCr Độ Độ hấp hấp thụ thụ (đv (đv tïy tïy ý) ý) §é §é (nm) (nm) (nm) Hình PL12 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ khả kiến với xúc tác BNT-xCr Phản ứng quang phân hủy UV MB 0.5 MB, Quang phân hủy UV Độhấpthụ(đv tùy ý) 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 300 (nm) Hình PL13 Sự suy giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV khả kiến khơng có xúc tác P4 Thẻ chuẩn vật liệu JCPDS 89-3109-BNT Hình PL14 Thẻ chuẩn JCPDS 89-3109 BNT JCPDS 36-0339-BKT Hình PL15 Thẻ chuẩn JCPDS 36-0339 BKT P5 Bảng PL1 Dữ liệu nhiễu xạ XRD gốm BLT theo thẻ chuẩn ICDD 9800064716 P6 ... trưng vật liệu quang xúc tác thường nghiên cứu gồm có tính chất vật lý, hóa học có liên quan đến tính chất quang quang xúc tác 1.3.1 Nghiên cứu tính chất vật lý Vật liệu quang xúc tác thường chế tạo. .. xúc tác phân hủy chất hữu với đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo tính chất quang xúc tác số vật liệu perovskite Bi₀.₅A₀.₅TiO₃ nhằm ứng dụng xử lý môi trường? ?? Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo, ... vật liệu có khả quang xúc tác tốt vật liệu khác có độ phân cực tự phát, hệ vật liệu BAT nghiên cứu chế tạo tính chất quang xúc tác, định hướng ứng dụng xử lý mơi trường Quy trình chế tạo hệ vật
Ngày đăng: 13/11/2020, 16:01
Xem thêm:
