Tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano zno

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM MINH DIỄN TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TIỀN CHẤT ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO Chun ngành: Hố Vơ Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Trúc Linh BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM MINH DIỄN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOÁ HỌC TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TIỀN CHẤT ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO Chun ngành: Hố Vơ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… Xác nhận Giảng Viên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thị Trúc Linh – người tận tình hướng dẫn, bảo, tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành khoá luận Gần hai tháng em làm việc cơ, có nhiều khó khăn ln động viên giúp đỡ em, em trải nghiệm không quên Gần bốn năm, học tập Khoa Hoá – Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, cho em khối lượng kiến thức tảng vô lớn trang bị kĩ thực hành thí nghiệm an toàn hiệu Em xin chân thành cảm ơn thầy ngồi khoa – người ln tận tình giảng dạy truyền đạt cho em điều hay khoa học xã hội Em xin gửi lời tri ân đến thầy cơ, anh (chị), cán phịng thí nghiệm hố vơ cơ, hố phân tích, hố đại cương, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình thực đề tài khố luận Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình, bố mẹ, anh chị bạn bè em ln giúp đỡ, động viên khuyến khích em bốn năm học, q trình hồn thành khoá luận Do lần tham gia nghiên cứu đề tài khoa học, nổ lực khơng tránh khỏi thiếu sót sai lầm, em mong nhận đóng góp, phê bình thầy bạn để khố luận hồn thiện i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chất bán dẫn (Semi - conductor) Vùng dẫn (Conduction Band) Vùng hoá trị (Valence Band) Chất nhận electron (Acceptor) Chất cho electron (Donor) Năng lượng (Energy) Methylene xanh (Methylene Blue) Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy) Ủy ban chung tiêu chuẩn nhiễu xạ vật liệu (The Joint Committee on Powder Diffraction Standards) JCPDS ii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Hiệu suất thu hồi sản phẩm bột rắn ZnO 17 Bảng 3.2: Kích thước tinh thể ZnO mẫu điều chế từ tiền chất zinc o o acetate khoảng nhiệt độ 30 C - 80 C 18 Bảng 3.3: Dung lượng xúc tác hiệu suất chuyển hoá MB mẫu vật liệu ZnO 19 Bảng 3.4: Hàm lượng oxygen hòa tan (DO (g/ml)) mẫu vật liệu ZnO .20 Bảng 3.5: Hiệu suất thu hồi bột rắn ZnO 21 Bảng 3.6: Kích thước tinh thể ZnO mẫu điều chế từ tiền chất zinc nitrate o o khoảng nhiệt độ 30 C - 80 C 23 Bảng 3.7: Dung lượng xúc tác hiệu suất chuyển hoá MB mẫu vật liệu ZnO 24 Bảng 3.8: Hàm lượng oxygen hòa tan (DO (g/ml)) mẫu vật liệu ZnO .24 Bảng 3.9: Hiệu suất thu hồi bột rắn ZnO 25 Bảng 3.10: Kích thước tinh thể ZnO mẫu điều chế từ tiền chất zinc o o chloride khoảng nhiệt độ 30 C - 80 C 26 Bảng 3.11: Dung lượng xúc tác hiệu suất chuyển hoá MB mẫu vật liệu ZnO 28 Bảng 3.12: Hàm lượng oxygen hòa tan (DO (g/ml)) mẫu vật liệu ZnO 28 Bảng 3.13: Kích thước tinh thể mẫu vật liệu ZA80, ZN80 ZC80 29 Bảng 3.14: Hàm lượng oxygen hòa tan (DO (g/ml)) mẫu vật liệu ZnO 33 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Minh họa cấu trúc tinh thể ZnO Hình 1.2: Cấu trúc wurtzite tinh thể ZnO Hình 1.3: Cơ chế quang xúc tác vật liệu bán dẫn Hình 1.4: Hình ảnh minh họa cho chế phản ứng quang xúc tác sử dụng vật liệu zinc oxide Hình 2.1: Mơ hình thực nghiệm tổng hợp zinc hydroxide từ ba tiền chất, ba nhiệt o độ khác (30, 50 80 C) Hình 2.2: Cơng thức cấu tạo methylene blue 13 Hình 3.1: Giản đồ XRD mẫu ZA30, ZA50, ZA80 18 Hình 3.2: Hiệu suất chuyển hoá MB nồng độ khác có mặt chất xúc tác ZnO 19 Hình 3.3: Giản đồ XRD mẫu ZN30, ZN50 ZN80 .22 Hình 3.4: Hiệu suất chuyển hoá MB nồng độ khác có mặt chất xúc tác ZnO 23 Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu ZC30, ZC50 ZC80 26 Hình 3.6: Hiệu suất chuyển hố MB nồng độ khác có mặt chất xúc tác ZnO 27 Hình 3.7: Giản đồ XRD mẫu ZA80, ZN80, ZC80 30 Hình 3.8: Ảnh SEM mẫu vật liệu ZX80 31 Hình 3.9: Hiệu suất chuyển hố MB mẫu ZA80, ZN80, ZC80 32 iv DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1: Sơ đồ tổng hợp vật liệu ZnO với tiền chất zinc acetate .10 Sơ đồ 2.2: Sơ đồ tổng hợp bột rắn ZnO với tiền chất zinc nitrate .11 Sơ đồ 2.3: Sơ đồ tổng hợp bột rắn ZnO với tiền chất zinc chloride 12 v DANH MỤC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều chế từ hai tiền chất zinc acetate zinc nitrate 38 Phụ lục 2: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều chế từ tiền chất zinc chloride 39 Phụ lục 3: Giản đồ XRD mẫu ZA30 40 Phụ lục 4: Giản đồ XRD mẫu ZA50 41 Phụ lục 5: Giản đồ XRD mẫu ZA80 42 Phụ lục 6: Giản đồ XRD mẫu ZN30 43 Phụ lục 7: Giản đồ XRD mẫu ZN50 44 Phụ lục 8: Giản đồ XRD mẫu ZN80 45 Phụ lục 9: Giản đồ ZRD mẫu ZC30 46 Phụ lục 10: Giản đồ XRD mẫu ZC50 47 Phụ lục 11: Giản đồ XRD mẫu ZC80 48 vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC SƠ ĐỒ DANH MỤC PHỤ LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.Đặc điểm cấu trúc vật liệu zinc oxid 1.2.Các phương pháp tổng hợp vật liệu zinc 1.2.1.Phương pháp kết tủa 1.2.2.Phương pháp sol – gel 1.2.3 Phương pháp 1.3.Sử dụng vật liệu zinc oxide phản hữu 1.3.1.Cơ chế phản ứng quang xúc tác phân huỷ chất hữu 1.3.2.Cơ chế phản ứng quang xúc tác phân huỷ chất hữu sử dụng vật liệu zinc oxide CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1.Hoá chất thiết bị 2.1.1 Hoá chất 2.1.2 Thiết bị 2.2.Quy trình tổng hợp xác định hiệu su 2.2.1.Tiền chất zinc acetate 2.2.2.Tiền chất zinc nitrate 2.2.3.Tiền chất zinc chloride 2.2.4.Xác định hiệu suất thu hồi bột rắn ZnO 2.3.Quy trình xác định hiệu suất chuyển ho 2.4.Các phương pháp xác định đặc trưng v 2.4.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) vii [10] F Fang et al (2010), “Modulation of Field Emission Properties of ZnO Nanorods During Arc Discharge”, Nanoscience and Nanotechnology, 10, p 8239-8243 [11] A Khorsand Zak et al (2011), “Effects of annealing temperature on some structural and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a modified sol-gel combustion method”, Ceramics International, 37, p 393398 [12] X Chen et al (2017), “Preparation of ZnO Photocatalyst for the Efficien and Rapid Photocatalytic Degradation of Azo Dyes”, Nanoscale Research Letters, 143, p 2-12 [13] D Chen et al (2014), “Infuence of Defects on the Photocatalytic Activity of ZnO”, The Journal of Phyical Chemistry, 118, p.15300-15307 [14] Y Zheng et al (2007), “Luminescence and Photocatalytic Activity of ZnO Nanocrystals: Correlation between Structure and Property”, Inorganic Chemistry, 16, p 6676-6683 [15] Y Joon Jang et al (2006), “Comparison of zinc oxide nanoparticles and its nano-crystalline particles on the photocatalytic degradation of methylene blue”, Materials Research Bulletin, 41, p 66-77 [16] D Suresh et al (2015), “Green synthesis of multifunctional zinc oxide (ZnO) nanoparticles using Cassia fistula plant”, Materials Science in Semiconductor Processing, 31, p 446-454 [17] M S Ramachandra Rao et al (2014), “ZnO Nanocrystals and Allied Materials”, 180, p 1-38 [18] Q Zhang et al (2018), “Oxygen Vacancy-Mediated ZnO Nanoparticle Photocatalyst for Degradation of Methylene Blue”, Applied Sciences, 353, p 1-11 [19] T R Giraldi et al (2012), “Effects of synthesis parameters on the structural characteristics and photocatalytic activity of ZnO”, Materials Chemistry and physics, 136, p 505-511 36 [20] O Mekasuwandumrong et al (2010), “Effects of synthesis conditions and annealing post-treatment on the photocatalytic activities of ZnO nanoparticles in the degradation of methylene blue dye”, Chemical Engineer Journal, 164, p 77-84 [21] Y Jiang et al (2008), “Solar photocatalytic decolorization of C.I Basic Blue 41 in an aqueous suspension of TiO 2eZnO”, Dyes and Pigments, 78, p 77-83 [22] X Li et al (2019), “Nano-ZnO/Regenerated Cellulose Films Prepared by Low-temperature Hydrothermal Decomposition of Zn5(OH)8Cl2.H2O from Cellulose-ZnCl2 Aqueous Solution”, Materials Letters,7, p 1-8 37 PHỤ LỤC Nồng độ MB: 22.72 (M) Nồng độ MB: 22.72 (M) Nồng Nồng Nồng Nồng Phụ lục 1: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều chế từ hai tiền chất zinc acetate zinc nitrate 38 Nồng độ MB: 22.96 (M) Nồng Nồng Phụ lục 2: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều chế từ tiền chất zinc chloride 39 d=2.81595 Lin(Counts) Nano_ZnO_30C 20 30 Nano_ZnO_30C - File: Nano_ZnO_30C.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - C 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 3: Giản đồ XRD mẫu ZA30 40 ZnO_50C 300 d=2.60429 d=2.81461 Lin (Counts) 500 200 100 20 30 ZnO_50C - File: ZnO_50C.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° - P 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 4: Giản đồ XRD mẫu ZA50 41 d=2.81607 d=2.47726 Lin(Counts) ZnO_80C 20 30 ZnO_80C - File: ZnO_80C.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° - P 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 5: Giản đồ XRD mẫu ZA80 42 Nano_ZnO_30C_tc_ZnNO3_2 360 350 340 330 320 310 290 280 d=2.47311 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 d=2.60103 160 d=2.81066 Lin (Counts) 300 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 20 30 Nano_ZnO_30C_tc_ZnNO3_2 - File: Nano_ZnO_30C_tc_ZnNO3_2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 6: Giản đồ XRD mẫu ZN30 43 Nano_ZnO_50C_tc_ZnNO3_2 360 350 340 330 320 310 290 280 270 260 250 240 230 d=2.47599 220 210 200 190 180 170 160 150 d=2.59979 140 d=2.80932 Lin (Counts) 300 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 20 30 2-Theta - Scale Nano_ZnO_50C_tc_ZnNO3_2 - File: Nano_ZnO_50C_tc_ZnNO3_2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 7: Giản đồ XRD mẫu ZN50 44 Nano_ZnO_80C_tc_ZnNO3_2 360 350 340 330 320 310 290 280 270 d=2.47726 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 d=2.81607 Lin (Counts) 300 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 20 30 Nano_ZnO_80C_tc_ZnNO3_2 - File: Nano_ZnO_80C_tc_ZnNO3_2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - F27=131(0.0071 Phụ lục 8: Giản đồ XRD mẫu ZN80 45 ZnO_30C_tc_ZnCl2 200 190 180 160 150 d=2.47716 140 130 120 110 100 d=2.81595 90 80 70 60 50 10 20 30 2-Theta - Scale ZnO_30C_tc_ZnCl2 - File: ZnO_30C_tc_ZnCl2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.0 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - S-Q 79.2 % - F2 00-007-0155 (*) - Simonkolleite, syn - Zn5(OH)8Cl2·H2O/ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 6.34000 - b 6.34000 - c 23.66000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3m ( Phụ lục 9: Giản đồ ZRD mẫu ZC30 46 d=2.67511 d=2.72369 d=2.87561 d=2.93796 20 d=3.16316 30 d=3.57689 40 d=4.01735 Lin(Counts) 170 ZnO_50C_tc_ZnCl2 200 190 180 170 160 140 130 120 110 100 90 d=2.81461 80 70 60 50 d=2.67383 d=2.72369 d=2.87424 d=2.93655 20 d=3.57689 30 d=3.16164 40 d=4.01735 Lin (Counts) 150 10 20 30 ZnO_50C_tc_ZnCl2 - File: ZnO_50C_tc_ZnCl2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.0 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - S-Q 69 00-007-0155 (*) - Simonkolleite, syn - Zn5(OH)8Cl2·H2O/ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 6.34000 - b 6.34000 - c 23.66000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive Phụ lục 10: Giản đồ XRD mẫu ZC50 47 ZnO_80C_tc_ZnCl2 200 190 180 170 150 d=2.47726 140 130 120 110 100 d=2.81607 90 80 70 60 50 d=2.67522 d=2.72877 d=2.87573 d=2.93655 20 d=3.57704 30 d=3.17006 40 d=4.01735 Lin (Counts) 160 10 20 30 ZnO_80C_tc_ZnCl2 - File: ZnO_80C_tc_ZnCl2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10 00-036-1451 (*) - Zincite, syn - ZnO - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 3.24982 - b 3.24982 - c 5.20661 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63mc (186) - - 47.6216 - I/Ic PDF - S-Q 00-007-0155 (*) - Simonkolleite, syn - Zn5(OH)8Cl2·H2O/ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 6.34000 - b 6.34000 - c 23.66000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primit Phụ lục 11: Giản đồ XRD mẫu ZC80 48 49 50 ... thống ảnh hưởng tiền chất tổng hợp đến hiệu suất thu hồi bột rắn zinc oxide, đặc trưng hố lí hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano ZnO Vì vậy, đề tài ? ?Tổng hợp khảo sát ảnh hưởng tiền chất đến hoạt. .. 1: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều chế từ hai tiền chất zinc acetate zinc nitrate 38 Phụ lục 2: Số liệu khảo sát hoạt tính quang xúc tác mẫu vật liệu ZnO điều... thước hạt, hình thái bề mặt hoạt tính quang xúc tác vật liệu [19] Đã có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng tiền chất tổng hợp đến đặc trưng hố lí hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano zinc oxide Tuy nhiên,