Metallic nanoparticles supported on zeolite added tio2 and plasma modified tio2 synthesis and photocatalytic oxidation applications

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY o0o LE NGUYEN QUANG TU METALLIC NANOPARTICLES SUPPORTED ON ZEOLITEADDED TiO2 AND PLASMA-MODIFIED TiO2: SYNTHESIS AND PHOTOCATALYTIC OXIDATION APPLICATIONS Major: Chemical Engineering No.: 8520301 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, 30 October 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Quang Long TS Cù Thành Sơn Cán chấm nhận xét : PGS TS Hồ Thị Thanh Vân Cán chấm nhận xét : PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 25 tháng 10 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS TS Phan Thanh Sơn Nam PGS TS Hồ Thị Thanh Vân PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong TS Trần Thụy Tuyết Mai TS Đặng Bảo Trung Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC I ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: MSHV: Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Mã số : I TÊN ĐỀ TÀI: II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Tp HCM, ngày … tháng … năm 20… CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA …………… (Họ tên chữ ký) II ACKNOWLEDGEMENT I would like to send my deepest gratitude to Associate Professor-Dr Nguyen Quang Long and Dr Cu Thanh Son, who had spent a lot of time, their great effort and dedication to communicate their valuable knowledge and experience in the process of completing this thesis Without their guidance and persistence help, this theisis would not have been possible I would like to express my appreciation to the teachers of Department of PhysicoChemical Engineering - Faculty of Chemical Engineering of Ho Chi Minh University of Technology, who have communicated valuable knowledge to me while studying at the university This is a very important foundation for me to complete my thesis I would like to thank the review committee, for spending time reading and giving valuable comments on my thesis Finally, I would like to send my sincere thanks to my family and friends, who have encouraged and helped me through the years at Ho Chi Minh University of Technology Best regards Ho Chi Minh City, Oct 2019 III ABSTRACT This thesis studied the preparation of nanoparticles Au/TiO2-ZY and plasmatreated Au/TiO2 as catalysts for photocatalytic reaction which is a treatment of air pollutants VOCs The physicochemical properties of catalyst had been characterzied by various methods, including XRD, SEM, TEM, FTIR, ICP, BET surface area Within the thesis, toluene vapor was used as a typical VOC to evaluate the photocatalytic activity under UV light The toluene concentrations before and after the reaction were analyzed by gas chromatography (GC) The effects of moisture concentration abd reaction temperature were investigated In each reaction, only one parameter was changed, while the other parameters were fixed The catalytic performance of zeolite-added TiO2 was enhanced due to the support of high surface area in zeolite and the surface plasmon resonance of Au nanoparticles The photo-catalytic oxidation process was stable throughout the whole experiment and was able to degrade 70% of toluene in the gas mixture The presence of –OH functional group in plasma-treated samples enhance the toluene removal efficiency under low humid condition Furthermore, water content in gas mixture are less likely to effect the catalytic activity compared to non-treated TiO2 IV TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu trình tổng hợp nano Au/TiO2-ZY Au/TiO2 biến tính plasma làm chất xúc tác cho phản ứng quang hốt xử lý chất gây nhiễm khơng khí VOCs Các tính chất hóa lý chất xúc tác xác định nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm XRD, SEM, TEM, FTIR, ICP, diện tích bề mặt BET Trong luận án, toluene sử dụng làm nguồn VOC điển hình để đánh giá hoạt động xúc tác quang ánh sáng tia cực tím Nồng độ toluene trước sau phản ứng phân tích sắc ký khí (GC) Ảnh hưởng nồng độ ẩm, nhiệt độ phản ứng nghiên cứu Trong phản ứng, có tham số thay đổi, tham số khác cố định Đối với Au/TiO2-ZY, hiệu suất xúc tác tăng cường nhờ hỗ trợ diện tích bề mặt cao zeolite cộng hưởng plasmon bề mặt hạt nano Au Q trình oxy hóa xúc tác quang hóa ổn định tồn thí nghiệm làm giảm 70% lượng toluene hỗn hợp khí Đối với Au/TiO2 biến tính plasma, diện nhóm chức -OH tăng cường hiệu loại bỏ toluene điều kiện độ ẩm thấp Hơn nữa, hàm lượng nước hỗn hợp khí có khả ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác so với TiO2 không xử lý V LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Tơi xin cam đoan kết trình bày Luận văn Thạc sĩ tơi thực từ kiên thức Tơi khơng nộp luận văn cho Trường, Viện để cấp ACKNOWLEDGMENT OF AUTHORIZATION The results presented in this Master Thesis were made by myself from my own knowledge I not submit this thesis to any School or Institute to obtain a degree Ho Chi Minh City, 01 October 2019 Author Le Nguyen Quang Tu VI CONTENT Page NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ II ACKNOWLEDGEMENT III ABSTRACT IV ACKNOWLEDGMENT OF AUTHORIZATION VI LIST OF FIGURES X LIST OF TABLES XI LIST OF ABBRIVIATIONS XII CHAPTER 1: OVERVIEW 1.1 Introduction 1.2 Volatile organic compounds 1.3 Treatment of VOCs in the gas phase 1.3.1 Decomposition technology 1.3.1.1 Oxidation technology 1.3.1.2 Biological filtration method 1.3.2 Recovery technology 1.3.2.1 VOCs condensation 1.3.2.2 Absorption technology 1.3.2.3 Adsorption technology 1.4 Photocatalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs) 1.5 Titanium dioxide 1.6 Noble metal doping 13 1.6.1 Previous studies 13 1.6.2 Gold nanoparticles (AuNPs) 15 1.6.2.1 Overview 15 1.6.2.2 AuNPs optical characteristic 16 VII 1.7 Hydrogenated TiO2 16 1.7.1 Previous studies 16 1.7.2 Plasma surface modification 18 1.8 Zeolite 18 1.9 Method of analyzing 20 CHAPTER 2: EXPERIMENT 25 2.1 Chemicals and equipment 25 2.2 Preparation of catalyst 25 2.3 Characterization of catalyst 30 2.4 Reaction system 31 2.5 Investigation of the effects of reaction’s conditions 33 CHAPTER 3: RESULT AND DISCUSSION 34 3.1 Characterization of catalysts 34 3.1.1 X-ray diffraction pattern of catalysts 34 3.1.2 BET specific area - ICP analysis 35 3.1.3 FTIR analysis of plasma treated catalysts 36 3.1.4 Scanning electron microscopy (SEM) and Transmission electron microscopy (TEM) 38 3.2 Catalytic performance of modified TiO2 40 3.2.1 The effect of UV light on the degradation of toluene 40 3.2.2 The effect of gold nanoparticles on the photo-catalytic performance of TiO2 41 3.2.3 The catalytic performance of hydro-plasma-treated TiO2 43 3.2.3.1 The adsorption efficiency of plasma treated TiO2 samples 43 3.2.3.2 The effect of plasma treating time on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2 44 3.2.3.3 The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of plasma-treated TiO2 46 VIII 3.2.3.4 The effect of reactor temperature on the catalytic activity 47 3.2.4 The catalytic performance of zeolite-added TiO2 48 3.2.4.1 The adsorption efficiency of zeolite-added TiO2 samples 48 3.2.4.2 The effect of zeolite ratio on the photo-catalytic activity of Au/TiO2 samples 49 3.2.4.3 The effect of relative humidity on the photo-catalytic activity of zeoliteadded TiO2 sample 51 3.2.4.4 The effect of temperature on the catalytic activity of Au/TiO2-ZY 52 3.2.4.5 Summary on the photo-catalytic activity of zeolite-added TiO2 samples 53 CHAPTER 4: CONCLUSION AND SUGGESTIONs 54 4.1 Conclusions 54 4.2 Suggestions 54 REFERENCES 56 IX ... photo-catalytic activity of zeolite- added TiO2 samples 53 CHAPTER 4: CONCLUSION AND SUGGESTIONs 54 4.1 Conclusions 54 4.2 Suggestions 54 REFERENCES... of temperature on the toluene removal efficiency of TiO2 and Au /TiO2- ZY: 39oC (line) and 50oC (dash) 47 Figure 3.17 Toluene removal by adsorption of TiO2, Au /TiO2 and Au /TiO2- ZY 49 Figure... Volatile organic compounds p -TiO2 Plasma treated TiO2 TEM Transmission electron microscopy SEM Scanning electron microcospy Ctol Concentration of toluene, ppmv CO2 Concentration of oxy, v% F Feed stream,