Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang chứa tantan nitrua và ứng dụng trong xử lý môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ PHƯƠNG LỆ CHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHỨA TANTAN NITRUA VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA MƠI TRƯỜNG Hà Nội, 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ PHƯƠNG LỆ CHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHỨA TANTAN NITRUA VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG Chun ngành : Hóa môi trường Mã số : 9440112.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA MƠI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Nguyễn Văn Nội PGS TS Nguyễn Minh Phương Hà Nội, 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học GS TS Nguyễn Văn Nội PGS TS Nguyễn Minh Phương Tất kết luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khác (chỉ cơng bố dạng báo) Tác giả luận án Nguyễn Thị Phương Lệ Chi i LỜI CẢM ƠN Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS TS Nguyễn Văn Nội PGS TS Nguyễn Minh Phương tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ suốt trình học tập, thực nghiệm nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, PGS.TS Đỗ Quang Trung trưởng phịng thí nghiệm hố mơi trường tạo điều kiện thuận lợi để thực hồn thành kế hoạch nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo, quý anh chị em bạn đồng nghiệp công tác Khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học tập làm thực nghiệm nghiên cứu Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất người thân gia đình nhiệt tình động viên, tận tình giúp đỡ tơi mặt suốt thời gian học tập hoàn thành luận án Hà Nội, tháng 11 năm 2020 Tác giả Nguyễn Thị Phương Lệ Chi ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .5 1.1 Tổng quan vật liệu xúc tác quang hệ .5 1.1.1 Giới thiệu chung .5 1.1.2 Vật liệu Ta N 1.1.3 Vật liệu BiVO .14 1.1.4 Vật liệu g-C N 17 1.2 Tổng quan vật liệu xúc tác quang biến tính chứa Ta N 21 1.2.1 Pha tạp Ta N với kim loại 22 1.2.2 Lai ghép Ta N với vật liệu bán dẫn có lượng vùng cấm hẹp khác 25 1.2.3 Một số phương pháp điều chế vật liệu quang xúc tác quang Ta N biến tính 30 1.3 Ứng dụng số hệ vật liệu xúc tác quang hệ liên quan tới Ta N , BiVO g-C N .32 1.4 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 37 iii 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .37 1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 37 1.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .38 1.4.4 Phương pháp tán xạ lượng tia X (EDX) 39 1.4.5 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-VIS-DRS) .39 1.4.6 Phương pháp quang điện tử tia X (XPS) 40 1.4.7 Phương pháp phổ quang phát quang (PL) 41 1.4.8 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ 77 K (BET) .42 1.5 Giới thiệu nước thải dệt nhuộm phẩm nhuộm RhB .43 1.6 Giới thiệu CO 44 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .48 2.1 Hóa chất dụng cụ .48 2.2 Tổng hợp vật liệu xúc tác quang hệ 49 2.2.1 Tổng hợp vật liệu Ta N phương pháp nhiệt pha rắn 49 2.2.2 Tổng hợp vật liệu g-C N từ ure phương pháp nhiệt pha rắn .49 2.2.3 Tổng hợp vật liệu BiVO phương pháp thủy nhiệt .49 2.3 Tổng hợp hệ vật liệu xúc tác quang hệ sở Ta N 50 2.3.1 Tổng hợp hệ vật liệu Ta N /BiVO .50 2.3.2 Tổng hợp vật liệu hệ Ta N /g-C N 51 2.3.3 Tổng hợp vật liệu V-Ta N 52 2.4 Thực nghiệm nghiên cứu đặc trưng vật liệu 53 2.5 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu tổng hợp 54 2.5.1 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB vật liệu tổng hợp 54 2.5.2 Khảo sát ảnh hưởng chất dập tắt gốc tới trình quang phân hủy chất hữu hệ vật liệu TB-5-600 TCN-2-550 .55 iv 2.5.3 Phương pháp xác định hàm lượng RhB 56 2.6 Thí nghiệm chuyển CO thành nhiên liệu tái sinh .57 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Vật liệu xúc tác quang hệ Ta N /BiVO 59 3.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng Ta N /BiVO đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta N /BiVO .59 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta N /BiVO .66 3.1.3 Đặc trưng vật liệu lai ghép TB-5-600 70 3.2 Vật liệu xúc tác quang hệ Ta N /g-C N 76 3.2.1 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng Ta N /g-C N đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta N /g-C N 76 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta N /g-C N 82 3.2.3 Đặc trưng vật liệu lai ghép TCN-2-550 86 3.3 Vật liệu xúc tác quang hệ V-Ta N 92 3.3.1 Đặc trưng vật liệu V-Ta N 92 3.3.2 Hoạt tính quang xúc tác vật liệu V-Ta N .96 3.3.3 Động học phản ứng phân hủy RhB vật liệu V- Ta N tỉ lệ khối lượng khác 98 3.3.4 Đặc trưng vật liệu 2%V-Ta N 99 3.4 Ứng dụng hệ vật liệu TB-5-600, TCN-2-550 2%V-Ta N cho q trình oxi hố phân huỷ chất hữu ô nhiễm .102 3.4.1 Hiệu trình oxi hoá phân huỷ RhB vật liệu xúc tác quang TB-5-600, TCN-2-550 2%V-Ta N .102 3.4.2 Ảnh hưởng chất dập tắt gốc q trình oxi hố phân huỷ RhB vật liệu lai ghép TB-5-600 TCN-2-550 105 v 3.4.3 Giải thích chế oxi hoá phân hủy RhB vật liệu TB-5-600 TCN2-550 107 3.5 Ứng dụng hệ vật liệu V-Ta N Ta N /BiVO q trình chuyển hóa CO thành nhiên liệu tái sinh 110 KẾT LUẬN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 DANH MỤC PHỤ LỤC .a DANH MỤC PHỤ LỤC e vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu từ viết tắt CB EDX Chú thích Tiếng Anh Chú thích Tiếng Việt Vùng dẫn Conduction Band Energy-Dispersive X-rayspectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm IR Infrared Hồng ngoại High-resolution transmission điện tử microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao RhB Rhodamine B Rhodamin B MB Methylene blue Xanh methylen MG Malachite Green Xanh Malachite PL Photoluminescence Quang phát quang TC Tetracycline hydrochloride Tetracyclin hydroclorid TEM Transmission điện tử microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Scanning Điện tử Microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV-VisDRS Ultraviolet – Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến Valence Band Vùng hóa trị XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XPS X-ray photođiện tử Spectroscopy Phổ quang điện tử tia X HRTEM VB vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cơ chế xử lý chất hữu vật liệu xúc tác quang TiO Hình 1.2 Cơ chế xúc tác quang phân hủy chất hữu vật liệu bán dẫn hệ .7 Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang chuyển hóa CO vật liệu bán dẫn hệ Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể Ta N : Mỗi nguyên tử Ta bao quanh sáu nguyên tử N (a) nguyên tử N kết hợp với nguyên tử Ta (b) Hình 1.5 Cơ chế phản ứng quang xúc tác oxi hóa - khử bề mặt vật liệu Ta N 10 Hình 1.6 Cơ chế quang khử CO vật liệu xúc tác quang bán dẫn 11 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp (a) ảnh SEM (b) vật liệu Ta N 12 Hình 1.8 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Ta N từ Ta O PSAM 13 Hình 1.9 Vật liệu bán dẫn Ta N pha tạp kim loại 14 Hình 1.10 Vật liệu bán dẫn Ta N lai ghép với vật liệu bán dẫn khác 14 Hình 1.11 Cấu trúc tinh thể BiVO 15 Hình 1.12 Cấu trúc vùng BiVO tetragonal zircon monoclinic scheelite 15 Hình 1.13 Cơ chế xúc tác quang phân hủy RhB vật liệu BiVO 16 Hình 1.14 Mặt phẳng graphitic (a) hexagonal (b) orthorhombic g-C N 18 Hình 1.15 Cấu trúc 2D g-C N (a), cấu trúc đơn vị triazin (b) tri-striazin (heptazin) (c) g-C N 19 Hình 1.16 Cơ chế xúc tác quang vật liệu g-C N vùng ánh sáng nhìn thấy 20 Hình 1.17 Sơ đồ điều chế g-C N cách ngưng tụ NH(NH ) 21 Hình 1.18 Tổng hợp vật liệu g-C N g-C N biến tính C 21 Hình 1.19 Cơ chế xúc tác quang vật liệu Ta N /g-C N 26 Hình 1.20 Cơ chế quang xúc tác vật liệu composit Ta N TaON với Bi O 27 Hình 1.21 Năng lượng vùng cấm số chất bán dẫn pH = 29 viii Phụ lục 2.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N vật liệu BiVO n o Phụ lục 2.11: Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N vật liệu Ta N p Phụ lục 2.12: Phổ hồng ngoại vật liệu BiVO q Phụ lục 2.13: Phổ hồng ngoại vật liệu g-C N r Phụ lục 2.14: Phổ hồng ngoại vật liệu Ta N /BiVO , Ta N /g-C N VTa N (1) (2) s (3) (4) t (5) (6) u (7) (8) v (9) (10) w (11) (12) x (13) (14) y (15) (16) z (17) (18) aa (19) bb ... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ PHƯƠNG LỆ CHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG CHỨA TANTAN NITRUA VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành : Hóa mơi trường. .. .49 2.2.3 Tổng hợp vật liệu BiVO phương pháp thủy nhiệt .49 2.3 Tổng hợp hệ vật liệu xúc tác quang hệ sở Ta N 50 2.3.1 Tổng hợp hệ vật liệu Ta N /BiVO .50 2.3.2 Tổng hợp vật liệu hệ Ta... 2.3.3 Tổng hợp vật liệu V-Ta N 52 2.4 Thực nghiệm nghiên cứu đặc trưng vật liệu 53 2.5 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu tổng hợp 54 2.5.1 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác