Nghiêu cứu điều chế khảo sát cấu trúc hoạt tính quang xúc tác của bột titan ddioxxit kích thước nano được biến tính crom

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - TRẦN THỊ BÍCH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH CROM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - TRẦN THỊ BÍCH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH CROM Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn: PGS TS Ngô Sỹ Lương Hà Nội – 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu TiO2 1.1.1 Đặc điểm cấu trúc tính chất vật lý TiO2 ………….………………….… 1.1.2 Hoạt tính quang xúc tác vật liệu TiO2 …………………………………… 1.2 Vật liệu TiO2 biến tính [38] 10 1.2.1 Mục đích biến tính vật liệu TiO2……………………… ………………10 1.2.2 Tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính……………………………………………… 11 1.2.2.1 Vật liệu TiO2 biến tính ngun tố khơng kim loại… …………… 12 1.2.2.2 Vật liệu TiO2 biến tính kim loại……………………… 13 1.2.3 Vật liệu TiO2 nano biến tính crom……………………………………… 14 1.2.4 Ứng dụng vật liệu TiO2…………………………………………………….16 1.2.4.1 Ứng dụng khả xúc tác quang………………………………… 16 1.2.4.2 Sử dụng đơn tinh thể titan đioxit làm điện cực cho trình quang phân hủy nước ………………………………………………………………18 1.2.4.3 Ứng dụng tính chất siêu thấm ướt TiO2………………………….19 1.2.4.4 Một số ứng dụng khác TiO2…………………………………… 20 1.2.5 Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nano mét……………………… 20 1.2.5.1 Phương pháp sol – gel…………………………………………….… 21 1.2.5.2 Phương pháp thủy phân ………………………………………………22 1.3 Các phƣơng pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc đặc tính bột TiO2 biến tính 24 1.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 24 1.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)………………………………26 1.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt ………………………………………… … 28 1.3.4 Phương pháp khảo sát khả quang xúc tác TiO2 29 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM……………………………………………………… 30 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn 30 2.1.1 Mục tiêu luận văn………………………………………………………….30 2.1.2 Các nội dung nghiên cứu luận văn……………………………………… 30 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 30 2.3 Hoá chất thiết bị 31 2.1.1 Hóa chất……………………………………………………………………… 31 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 31 2.1.3 Pha mẫu…………………………………………………………………………31 2.4 Điều chế bột TiO2 biến tính crom phƣơng pháp sol-gel 32 2.5 Điều chế bột TiO2 biến tính crom phƣơng pháp thủy phân 35 2.6 Phƣơng pháp khảo sát khả phân hủy quang xanh methylen bột TiO2 biến tính .37 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Điều chế Cr-TiO2 phƣơng pháp sol-gel 40 3.1.1 Khảo sát q trình phân hủy nhiệt gel khơ phương pháp phân tích nhiệt 40 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian làm già gel 41 3.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ % Cr/TiO2 (mol/mol)…………………………………….… 43 3.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung………………………………………………….… 46 3.2 Điều chế Cr-TiO2 phƣơng pháp thủy phân 51 3.2.1 Khảo sát trình phân hủy nhiệt mẫu TiO2 Cr-TiO2…………… …51 3.2.2 Ảnh hưởng lượng urê…………………………………………………… 52 3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ nung…………………………………………………54 3.2.4 Ảnh hưởng tỷ lệ % Cr/TiO2 (mol/mol)……………………………………… 57 KẾT LUẬN………………………………………………………………………….62 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….63 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng Bảng 1.1 Các số vật lý dạng thù hình tinh thể TiO2…………… ……6 Bảng 2.1 Nồng độ xanh metylen độ hấp thụ (Abs)………………………… …38 Bảng 3.1 Kích thước hạt trung bình dạng pha mẫu Cr-TiO2 theo thời gian làm già gel khác 42 Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Cr-TiO2 theo thời gian làm già gel khác nhau…………………………………………… 43 Bảng 3.3 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo thời gian làm già gel khác 44 Bảng 3.4 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Cr-TiO2 có nhiệt độ nung khác 45 Bảng 3.5 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo nhiệt độ nung khác 47 Bảng 3.6 Giá trị độ hấp thụ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Cr-TiO2 có nhiệt độ nung khác 48 Bảng 3.7 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo lượng ure khác 52 Bảng 3.8 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Cr-TiO2 có lượng urê khác 53 Bảng 3.9 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo nhiệt độ nung khác 55 Bảng 3.10 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu Cr-TiO2 có nhiệt độ nung khác 56 Bảng 3.11 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo nồng độ khác 57 Bảng 3.12 Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang mẫu CrTiO2 có tỷ lệ Cr/TiO2 khác 58 Danh mục hình Hình 1.1 Cấu trúc mạng dạng thù hình tinh thể TiO2 Hình 1.2 Hình khối bát diện TiO2 Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn Hình 1.4 Ứng dụng TiO2 sơn tự diệt khuẩn 17 Hình 1.5 Sự quang phân hủy nước hệ điện cực titan đioxit…… ……… … 18 Hình 1.6 Ứng dụng TiO2 kính chống mờ………………………………20 Hình 1.7 Sơ đồ tia tới tia phản xạ tinh thể chất rắn tia X lan truyền chất rắn 24 Hình 1.8 Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance 5005 (CHLB Đức) 26 Hình 1.9 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua 27 Hình 2.1 Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính Cr phương pháp sol-gel 34 Hình 2.2 Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính crom phương pháp thủy phân 36 Hình 2.3 Quang phổ đèn Compact Goldstar……………………………….…37 Hình 2.4 Đường chuẩn dung dịch xanh metylen………………………… …38 Hình 3.1.Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 khơng biến tính 40 Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,01% (mol/mol) 40 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo thời gian làm già gel khác 42 Hình 3.4 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang thời gian làm già gel 43 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo tỷ lệ % Cr/TiO2 (mol/mol) khác 44 Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang tỷ lệ Cr/TiO2 45 Hình 3.7 Giản đồ XRD mẫu SCr2-80 chưa nung 46 Hình 3.8 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo nhiệt độ nung khác 47 Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang nhiệt độ nung 48 Hình 3.10 Phổ EDX mẫu TiO2 khơng biến tính 49 Hình 3.11 Phổ EDX mẫu Cr-TiO2 có tỷ lệ % Cr/TiO2 = 0,01% 49 Hình 3.12 Ảnh TEM mẫu TiO2 khơng biến tính 50 Hình 3.13 Ảnh TEM mẫu TiO2 có biến tính Cr tỷ lệ 0,01% (mol/mol) 50 Hình 3.14 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 khơng biến tính 51 Hình 3.15 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) 51 Hình 3.16 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo lượng ure khác 52 Hình 3.17 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang lượng urê 53 Hình 3.18 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo nhiệt độ nung 55 Hình 3.19 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang nhiệt độ nung 56 Hình 3.20 Giản đồ XRD mẫu Cr-TiO2 theo nồng độ 57 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang tỷ lệ % Cr/TiO2 58 Hình 3.22 Phổ EDX mẫu khơng biến tính 59 Hình 3.23 Phổ EDX mẫu biến tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) 59 Hình 3.24 Ảnh TEM mẫu khơng biến tính 60 Hình 3.25 Ảnh TEM mẫu biến tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) 60 Hình 3.26 Giản đồ BET mẫu TiO2 khơng biến tính 61 Hình 3.27 Giản đồ BET mẫu Cr-TiO2 .61 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 MỞ ĐẦU TiO2 nghiên cứu nhiều chất xúc tác quang hoá bán dẫn kể từ Fujishima Honda phát khả phân tách nước xúc tác quang hoá điện cực TiO2 mà khơng dùng dịng điện vào năm 1972 [21] Sự kiện đánh dấu bắt đầu kỷ nguyên xúc tác quang hóa dị thể Kể từ đó, bột TiO2 tinh khiết kích thước nano mét dạng thù hình rutile, anatase brookite nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tiến hành tổng hợp khả ứng dụng chúng nhiều lĩnh vực khác như: làm chất xúc tác điều chế nhiều hợp chất hữu [14, 31], làm xúc tác quang hố xử lý mơi trường [23, 27, 29], chế sơn tự làm sạch, làm vật liệu chuyển hoá lượng pin mặt trời, sử dụng dược phẩm [24], v.v Do TiO2 tinh khiết kích thước nano có lượng vùng cấm lớn (3,05 eV pha anatase 3,25 eV pha rutile), hoạt động vùng ánh sáng tử ngoại Điều hạn chế khả quang xúc tác titan đioxit, thu hẹp khả ứng dụng loại vật liệu Một xu hướng nhà nghiên cứu quan tâm tìm cách thu hẹp dải trống titan đioxit, cho tận dụng ánh sáng mặt trời cho mục đích quang xúc tác titan đioxit Để thực mục đích này, nhiều ion kim loại [13, 33] không kim loại [17, 25] sử dụng để biến tính dạng thù hình titan đioxit Trong dạng biến tính, đặc biệt kim loại chuyển tiếp, cho thấy bột TiO2 điều chế hoạt động tốt vùng ánh sáng nhìn thấy khả ứng dụng quang xúc tác cao Ở Việt Nam, việc nghiên cứu vật liệu TiO2 kích thước nano mét quan tâm khoảng mười năm trở lại chủ yếu điều chế bột TiO2 kích thước nano mét dạng tinh khiết Dạng TiO2 biến tính kim loại phi kim nghiên cứu bước đầu Để thực mục đích này, nhiều ion kim loại khơng kim loại Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 giảm Tuy nhiên lượng urê lớn, pH dung dịch tăng cao, tốc độ trình thủy phân xảy nhanh, kết tụ hạt lớn nên kích thước hạt tăng Đánh giá hoạt tính quang xúc tác mẫu Cr/TiO2 có lượng urê khác thơng qua khả phân hủy dung dịch xanh metylen điều kiện chiếu sáng đèn compac với thời gian chiếu sáng Giá trị mật độ quang hiệu suất phân hủy quang đưa bảng 3.8 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất phân y, % n hủ t phâ u suấ Hiệ hủy quang mẫu Cr-TiO2 có lượng urê khác hình 3.17 94 Bảng 3.8 Giá trị mật độ quang hiệu 92 suất phân hủy quang mẫu Cr- 90 TiO2 có lượng urê khác 88 86 84 82 80 10 12 14 Lượng urê , gam Mẫu A0 A TCr6 1,880 0,353 81.2 TCr8 1,880 0,281 85.06 TCr10 1,880 0,146 92.2 TCr12 1,880 0,180 90.44 TCr14 1,880 0,213 88.69 H(%) Hình 3.17 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang lượng urê Thông qua bảng 3.8 hình 3.17 ta thấy tăng lượng urê từ đến 10g hiệu suất phân hủy quang tăng đạt cực đại với lượng urê 10g Điều giải thích tăng lượng urê làm cho kích thước hạt, khả hoạt động bề mặt bột Cr-TiO2 tốt làm tăng hoạt tính quang xúc tác Tuy nhiên lượng urê tăng cao hiệu suất phân hủy quang lại giảm kích thước hạt tăng 53 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Như vậy, khối lượng ure thích hợp sử dụng phương pháp thủy phân 10 gam, sử dụng giá trị để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố 3.2.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ nung Nhiệt độ nung có ảnh hưởng lớn đến phát triển kích thước hạt, thành phần pha, diện tích bề mặt cấu trúc tinh thể Những yếu tố định đến hoạt tính quang xúc tác TiO2, trình thủy phân thường tạo hạt tinh thể chưa thực ổn định mặt cấu trúc nên sản phẩm thủy phân thường xử lý nhiệt độ thích hợp Để xác định nhiệt độ nung thích hợp cho q trình thủy phân tiến hành nung mẫu sản phẩm nhiệt độ thay đổi: 400, 450, 500, 550, 600, 6500C với thời gian nung giờ, mẫu ký hiệu tương ứng là: TCr400, TCr450, TCr500, TCr550, TCr600 TCr650 Các yếu tố khác cố định với lượng urê cho vào 10g, tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) thủy phân 1000C Các mẫu sau tiến hành xử lý nhiệt tiến hành ghi phổ nhiễu xạ tia X Giản đồ XRD mẫu hình 3.18 Từ giản đồ XRD ta xác định kích thước hạt trung bình thành phần pha Giá trị kích thước hạt trung bình thành phần pha đưa bảng 3.9 54 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Bảng 3.9 Kích thước hạt trung bình thành phần pha mẫu Cr- TCr650 TCr600 TCr550 TCr500 TCr450 TCr400 TCr110 Anatase Anatase TiO2 theo nhiệt độ nung khác Mẫu r (nm) Dạng pha TCr110 4,55 Anatase TCr400 9,47 Anatase TCr450 13,01 Anatase TCr500 15,57 Anatase TCr550 20,00 Anatase TCr600 24,40 Anatase TCr650 28,25 Anatase 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale Hình 3.18 Giản đồ XRD mẫu CrTiO2 theo nhiệt độ nung Tương tự mẫu khảo sát nhiệt độ nung phương pháp sol-gel, từ giản đồ XRD bảng số liệu nhận thấy tăng dần nhiệt độ nung nhìn chung kích thước hạt tăng Các tác giả [40] cho diện SO42- có tác dụng làm giảm đáng kể kích thước hạt tăng diện tích bề mặt riêng Thật vậy, mẫu Cr-TiO2 điều chế phương pháp sol gel nung 5000C có kích thước hạt trung bình 21,53 nm lớn với mẫu Cr-TiO2 điều chế theo phương pháp thủy phân có kích thước 15,57 nm Hoạt tính quang xúc tác mẫu Cr/TiO2 có nhiệt độ nung khác đánh giá qua khả phân hủy dung dịch xanh metylen Kết đo mật độ quang hiệu suất phân hủy đưa bảng 3.10 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất phân hủy quang hình 3.19 55 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Bảng 3.10 Giá trị mật độ quang hiệu 92 90 suất phân hủy quang mẫu Cr- y, % n hủ t phâ u suấ Hiệ 88 TiO2 có nhiệt độ nung khác 86 84 82 80 Mẫu A0 A H(%) TCr400 1,880 0,414 78.00 TCr450 1,880 0,338 82,00 TCr500 1,880 0,164 91.30 TCr550 1,880 0,220 88.30 TCr600 1,880 0,304 83.80 TCr650 1,880 0,491 73.90 78 76 74 72 400 450 500 550 600 650 o Nhiệ t độnung, C Hình 3.19 Đồ thị mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang nhiệt độ nung Dựa vào đồ thị 3.19, kết thể bảng 3.10, tăng dần nhiệt độ nung từ 400 – 5000C hiệu suất phân hủy quang tăng đạt giá trị lớn 5000C Điều giải thích tăng dần nhiệt độ nung mức độ ổn định mặt cấu trúc tăng nên hiệu xuất quang phân hủy tăng Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung hiệu suất phân hủy quang giảm nguyên nhân cho tăng nhiệt độ nung kích thước hạt tăng, diện tích bề mặt riêng nhóm hydroxyl bề mặt giảm, nhiệt độ nung tăng dẫn đến tái kết hợp eletron lỗ trống quang sinh tăng nên hiệu suất quang phân hủy giảm Như vậy, nhiệt độ nung thích hợp việc điều chế bột titan đioxit biến tính crom phương pháp thủy phân 500oC 56 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 3.2.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ % Cr/TiO2 (mol/mol) Để xác tỷ lệ % Cr/TiO2 (mol/mol) thích hợp chúng tiến hành thay đổi tỷ lệ giá trị: 0; 0,00125; 0,0025; 0,00375; 0,005 0,00625% (mol/mol) Các điều kiện cố định là: lượng urê đưa vào 10g, thời gian thủy phân giờ, nhiệt độ nung 5000C 4h Các mẫu ký hiệu là: TCr0, TCr1, TCr2, TCr3, TCr4, TCr5 Kết phổ XRD giá trị kích thước hạt trung bình, thành phần pha hình 3.20 bảng 3.11 Bảng 3.11 Kích thước hạt trung bình Anatase Anatase Anatase TCr0 TCr1 TCr2 TCr3 TCr4 TCr5 thành phần pha mẫu Cr-TiO2 theo nồng độ khác Mẫu r (nm) Dạng pha TCr0 19,26 Anatase TCr1 18,25 Anatase Hình 3.20 Giản đồ XRD mẫu TCr2 17,61 Anatase Cr-TiO2 theo nồng độ TCr3 16,95 Anatase TCr4 17,09 Anatase TCr5 17,50 Anatase 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale Nhìn vào hình 3.20 bảng 3.11 ta thấy mẫu có mức độ kết tinh cao đồng xuất đơn pha anatase Khi tăng tỷ lệ Cr/TiO2 kích thước hạt giảm Kết phù hợp với nghiên cứu Cr3+ có tác dụng ức chế q trình phát triển hạt hình thành liên kết Ti - O - Cr kích thước hạt giảm 57 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Giá trị mật độ quang dung dịch xanh metylen trước sau phân hủy, hiệu suất phân hủy quang trình bày bảng 3.12 đồ thị biểu diễn phụ thuộc giữa hiệu suất phân hủy quang với nhiệt độ sấy đưa hình 3.21 Bảng 3.12 Giá trị mật độ quang 95 hiệu suất phân hủy quang mẫu y, % n hủ t phâ u suấ Hiệ 90 Cr-TiO2 có tỷ lệ Cr/TiO2 khác 85 80 Mẫu A0 A H(%) 75 TCr0 1,880 0,646 65.62 70 TCr1 1,880 0,556 70.41 TCr2 1,880 0,242 87.1 TCr3 1,880 0,116 93.8 TCr4 1,880 0,225 88 TCr5 1,880 0,479 74.5 65 0.00 1.25 2.50 3.75 5.00 6.25 (10-3) Tỷlệ% Cr/TiO2 (mol/mol) Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu suất phân hủy quang tỷ lệ % Cr/TiO2 Dựa vào bảng 3.15 hình 3.23 cho thấy, tăng dần tỷ lệ Cr/TiO2 từ đến 0,00375% (mol/mol) hiệu suất phân hủy quang tăng đạt giá trị lớn 93,8% tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% Nguyên nhân tăng dần hàm lượng Cr3+ kích thước hạt trung bình giảm tỷ lệ % Cr/TiO2 dần chuyển đến giá trị thích hợp Khi tăng tỷ lệ % Cr/TiO2 cao kích thước hạt có giảm hiệu suất phân hủy lại giảm Điều cho lượng chất pha tạp vào lớn dẫn đến tượng tái kết hợp eletron lỗ trống quang sinh bề mặt lòng chất bán dẫn quang xúc tác dẫn đến làm giảm khả quang xúc tác Để xác định có mặt Cr có mẫu pha tạp tiến hành ghi phổ EDX mẫu TiO2 khơng biến tính mẫu TiO2 có biến tính Cr (tỷ lệ Cr/TiO2 = 58 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 0,00375% (mol/mol) nung nhiệt độ 5000C Kết đưa hình 3.22 3.23 Từ giản đồ EDX hình 3.23 ta thấy xuất pic đặc trưng cho nguyên Cr, điều chứng tỏ Cr có diện mẫu TiO2 biến tính 4800 4000 2000 1500 1000 Counts TiKb 2500 TiKesc 3000 OKaTiLl TiLa TiLsum Counts 3500 3200 2400 1600 800 500 TiKesc 4000 OKaTiLl TiLa CrLlCrLa TiLsum 4500 002 TiKa 5600 TiKb CrKa CrKb 002 TiKa 5000 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV keV Hình 3.22 Phổ EDX mẫu khơng Hình 3.23 Phổ EDX mẫu biến tính biến tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) Để quan sát hình thái hạt tinh thể TiO2 xác định kích thước hạt mẫu TiO2 Cr-TiO2 với tỷ lệ số mol Cr/TiO2 = 0,025% tiến hành chụp ảnh TEM cho mẫu Ảnh TEM hình 3.24 3.25 Từ hình 3.24 3.25 cho thấy, kích thước hạt TiO2 mẫu biến tính bé (khoảng 15 - 20 nm) so với mẫu khơng biến tính (20 - 25) Kết phù hợp với việc xác định kích thước hạt trung bình phương pháp chụp XRD Tuy nhiên ảnh TEM mẫu có biến tính cho ta thấy hạt sắc nét, bị kết tụ phân bố đồng so với mẫu khơng biến tính 59 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Hình 3.24 Ảnh TEM mẫu khơng Hình 3.25 Ảnh TEM mẫu biến biến tính tính với tỷ lệ Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) Phương pháp BET thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn Những vật liệu thường tiến hành điều chế xử lý nhiệt nhiệt độ thấp (thường < 5000C) Tuy nhiên, bột Cr-TiO2 điều chế phương pháp thủy phân có mặt urê ion SO42- (làm giảm kích thước hạt tăng diện tích bề mặt riêng) nên sản phẩm tiến hành nung nhiệt độ 5000C mà cho diện tích bề mặt riêng tương đối lớn Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt nitơ mẫu TiO2 khơng biến tính mẫu TiO2 biến tính Cr tỷ lệ % Cr/TiO2 = 0,00375% đưa hình 3.26 3.27 ta thấy với mẫu TiO2 khơng biến tính tích hấp phụ khoảng 68 đến 72 cm3/g mẫu Cr-TiO2 tích hấp phụ khoảng 80 đến 82 cm3/g Diện tích bề mặt BET mẫu TiO2 khơng biến tính 41m2/g nhỏ diện tích bề mặt BET mẫu Cr-TiO2 54 m2/g Điều cho thấy việc đưa Cr3+ vào mạng lưới TiO2 làm tăng diện tích bề mặt riêng vật liệu TiO2 60 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Hình 3.26 Giản đồ BET mẫu TiO2 Hình 3.27 Giản đồ BET mẫu khơng biến tính Cr-TiO2 Như vậy, qua q trình khảo sát chúng tơi tìm điều kiện thích hợp cho q trình điều chế bột Cr-TiO2 phương pháp thủy phân sau: Lượng urê 10g, thời gian thủy phân 3h, nung mẫu nhiệt độ 5000C 4h, tỷ lệ % Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) Với điều kiện thích hợp trên, bột Cr-TiO2 điều chế có kích thước hạt bé (khoảng 15 – 20nm), phân bố tương đối đồng khả quang xúc tác cao gấp 1,4 lần so với mẫu TiO2 khơng biến tính vùng ánh sáng khả kiến 61 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 KẾT LUẬN Qua trình thực nghiệm thu kết sau: Đã xác định điều kiện thích hợp cho trình điều chế bột Cr-TiO2 phương pháp sol-gel sau: thời gian làm già gel ngày, sấy gel nhiệt độ 900C 24h, tỷ lệ % Cr/TiO2 = 0,01% (mol/mol), nhiệt độ nung thích hợp 6000C Với điều kiện thích hợp trên, bột Cr-TiO2 điều chế có kích thước hạt bé (khoảng 30 ÷ 35nm), phân bố tương đối đồng khả quang xúc tác cao biến đổi từ 40,57% mẫu khơng biến tính so với 80,9% mẫu TiO2 có biến tính vùng ánh sáng khả kiến Đã xác định điều kiện thích hợp cho q trình điều chế bột Cr-TiO2 phương pháp thủy phân: Lượng urê 10g, thời gian thủy phân 3h, nung mẫu nhiệt độ 5000C 4h, tỷ lệ % Cr/TiO2 0,00375% (mol/mol) Với điều kiện trên, bột Cr-TiO2 điều chế có kích thước hạt bé (khoảng 15 ÷ 20nm), phân bố tương đối đồng khả quang xúc tác cao hơn, biến đổi từ 65,92% mẫu khơng biến tính so với 93,8% mẫu TiO2 có biến tính vùng ánh sáng khả kiến Hai phương pháp sol-gel phương pháp thủy phân tỏ có hiệu dùng để điều chế bột Cr-TiO2 kích thước nano Bột Cr-TiO2 tạo có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn hoạt tính quang xúc tác tốt Tuy nhiên, phương pháp thủy phân tỏ có hiệu cao so với phương pháp sol-gel để điều chế vật liệu quang xúc tác Cr-TiO2, với quy trình điều chế đơn giản dễ điều chỉnh thông số q trình điều chế Bột Cr-TiO2 có kích thước nhỏ hơn, hoạt tính quang cao thể qua thời gian phân hủy xanh mêtylen 3h với hiệu suất phân hủy đạt 93,4% so với thời gian 3h phương pháp sol-gel 80,9% 62 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Đăng Độ (2003), Các phương pháp vật lý hóa học, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trần Thị Đức, Lê Thị Hoài Nam, Bùi Tiến Dũng, Phùng Thị Xuân Bình, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Châu Thùy (2002), “Chế tạo nghiên cứu ứng dụng màng xúc tác quang hóa TiO2”, Tạp chí Khoa Học, T.40, số 4, Tr 27-31 Lê Kim Long, Hồng Nhâm dịch (2001), Tính chất lý, hóa học chất vô cơ, R A Liđin, V A Molosco, L L Anđreeva, NXBKH & KT Hà Nội Ngô Sỹ Lương, Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Văn Hưng (2009), “ Nghiên cứu quy trình điều chế titan đioxit kích thước nanomet từ tinh quặng inmenit Hà Tĩnh phương pháp axit sunfuric Khảo sát quy trình nghiền phân hủy tinh quặng inmenit Hà Tĩnh phương pháp axit sunfuric quy mơ phịng thí nghiệm”, Tạp chí hóa học T.47 (2A), tr.145-149 Ngô Sỹ Lương, Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Văn Hưng, Thân Văn Liên, Trần Minh Ngọc (2009), “Nghiên cứu quy trình điều chế titan đioxit kích thước nanomet từ tinh quặng inmenit Hà Tĩnh phương pháp axit sunfuric Khảo sát trình thủy phân đồng thể dung dịch titanyt sunfat có mặt ure để điều chế titan đioxit kích thước nano met”, Tạp chí hóa học T.47 (2A), tr.150-154 Ngơ Sỹ Lương, Nguyễn Văn Hưng, Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Thanh Liễu (2009), “Ảnh hưởng polyetylen glycol đến trình điều chế bột TiO2 kích thước nano mét phương pháp thủy phân titanyl sunfat dung dịch nước”, Tạp chí Phân tích Hóa - Lý - Sinh học - Tập 14 số I, tr 3-7 Hồng Nhâm (2005), Hóa vơ tập III, NXB GD Hà Nội 63 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 Nguyễn Xuân Nguyên, Lê Thị Hoài Nam (2004), “Nghiên cứu xử lý nước rác Nam Sơn màng xúc tác TiO2 lượng mặt trời”, Tạp chí Hóa học ứng dụng , tr 10 Nguyễn Hoàng Nghị (2002), Lý thuyết nhiễu xạ tia X’, Nhà xuất giáo dục Hà nội 11 Phan Văn Tường (1998), Vật liệu vô cơ, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 12 Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý phân tích cấu trúc, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Tiếng Anh 13 A.-W Xu, Y Gao and H.-Q Liu (2002), “The Preparation, Characterization, and their Photocatalytic Activities of Rare-Earth-Doped TiO2 Nanoparticles J Catal” 207, pp 151–157 14 Bin xia, Weibin Li, Bin Zhang, Youchang Xie (1999), “Low temoerature vaporphase preperation of TiO2 nanopowders, Journal of Materials Sciences” (34), pp.3505-3511 15 Carp O., Huisman C.L., Reller A.(2007) “Photoinduced reactivity of titanium dioxide”, pp 13-25 16 Chien-Cheng Pan, Jeffrey C.S Wu, (2005), “Visible-light response Cr-doped TiO2−XNX photocatalysts”, www sciencedirect.com, pp 102-107 17 Crisan M., Braileanu A., Raileanu M., Zaharescu M., Crisan D., Dragan N., Anastasescu M., Ianculescu A., Nitoi I., Marinescu V.E and Hodorogea S.M 64 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 (2008), “Sol–gel S-doped TiO2 materials for environmental protection J NonCryst Solids” 354, pp 705–711 18 Dapeng Xu, Lajun Feng, Ali Lei (2007), “Preparation of TiO2 nanopowders doped with Y 3+ by plasma spray and characterizations”, pp 23-78 19 Du, Bueno-López A., Verbaas M., Almeida A.R., Makkee M., Moulijn J.A., G.Mul (2008), “The effect of surface OH-population on the photocatalyticactivity of rare earth-doped P25-TiO2 in methylene blue degradation”, pp 23-34 20 Jimmy C Yu, Jiaguo Yu, Lizhi Zhang, Wingkei Ho (2002), “Enhancing effects of water content and ultrasonic irradiation on the photocatalytic activity of nanosized TiO2 powders”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 148, pp 263-271 21 Fujishima A, Honda K (1972), “Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode”, pp 1-5 22 Junshui Chen, Meichuan Liu, Li Zang (2003), “Application of nano TiO2 towards polluted water treatment combined with electro-photo chemical method, Water Resaseach, 37”, pp 3815 - 3820 23 Jina Choi, Hyun woong Park, Micheal R (2010), “Effects of Single Metal-Ion Doping on the Visible-Light Photoreactivity of TiO2”, pp 1-8 24 Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T (1999), “TiO2 Photocatalysis Fundamentals and Applications, 1st Edition, BKC Inc., Tokyo”, pp 4-7 25 Gombac V., Rogatis L.D., Gasparotto A., Vicario G., Montini T., Barreca D., Balducci G., Fornasiero P., Tondello E and Graziani M (2007), “TiO2 65 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 nanopowders doped with boron and nitrogen for photocatalytic applications Chem Phys 339”, pp 111–123 26 Kaifeng Yu, Jingzhe Zhao, Yupeng Guo, Yanhua Liu, Zichen Wang (2005) “Solgel synthesis and hydrothermal processing of anatase nanocrystals from titanium n-butoxide” Materials Letters, pp 56-79 27 Kang Ryeol Lee, Sun Jae Kim, Jae Sung Song (2002), “Photocatalytic characteristics of nanometer - sized titania powder fabricated by a homogenous precipitation process”, pp 341 - 345 28 Mao Ping Zheng, Ming Yuan gu, Yan Ping Jin, Guo Liang Jin (2004), “Photochromism of titanium oxide sol and gel”, Journal of materials science, letters 20 pp 485 – 486 29 Mike Schmotzer (Grad Student), Dr Farhang Shadman (Faculty Advisor) (2004), “Photocatalytic Degradation of Organics, Department of Chemical and Enviroment Engineering, University of Arizona”, pp 45-62 30 Oros-Ruiz S., Goosmez R., and Lospez R (2011), “Photophysical and photocatalytic properties of TiO2-Cr sol-gel prepared semiconductors”, www elsevier.com/locate/cattod, pp 1-5 31 Quaranta N.E., Soria J., V Corés Coberán and J.L.G Fierro (1997), “Selective Oxidation of Ethanol to Acetaldehyde on V2O5/TiO2/SiO2 Cataly”, Journal of catalysis (171), pp 1-13 32 Reaseaenen Lea, Nakasuji Tadao (2003), “Titanium dioxide photocatalyst and a method of preparation and uses of the same”, Internation Puplication, WO 03/048048 A1 66 Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Bích Ngọc – K20 33 Saif M and Abdel-Mottaleb M.S.A (2007), “Titanium dioxide nanomaterial doped with trivalent lanthanide ions of Tb, Eu and Sm: Preparation, characterization and potential applications Inorg Chim Acta 360 “, pp 2863–2874 34 Thuy-Duong Nguyen-Phan, Myoung Bock Song, Eui Jung Kim, Eun Woo Shin (2008), “The role of rare earth metals in lanthanide-incorporated mesoporous titania.”, pp 5-14 35 Václav Stengl, Snejana Bakardjieva, Nataliya Murafa (2007), “Preparation and photocatalytic activity of rare earth doped TiO2 particles.”, pp 2-10 36 Vieira Ferreira L.F.,W Kallel S Bouattour, Botelho Rego A.M (2009), “Synthesis, XPS and luminescence (investigations) of Li+and/or Y3+doped nanosized titanium oxide”, Materials Chemistry and Physics, 114, pp 304 – 308 37 Wenjie Zhanga, KuanlingWang, Shenglong Zhu, Ying Li, FuhuiWang, Hongbo He (2009), “Yttrium-doped TiO2 films prepared by means of DC reactive magnetron Sputtering”, Chemical Engineering Journal, 155, pp 83-87 38 Wonyong Choi, Andreas Termin, Michael R Hoffmann (1994), “The role of metal ion dopans in Quantum-Size TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics”, J Phys Chem , 98 (51), pp.13669-13679 39 Xiaobo Chen and Samuel Mao S.(2007) “Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications”, pp 43-56 40 Xuejun Quan, Qinghua Zhao , Huaiqin Tan , Xuemei Sang , Fuping Wang , Ya Dai (2007), “Comparative study of lanthanide oxide doped titanium dioxide photocatalysts prepared by coprecipitation and sol–gel process”, pp 13-26 41 Yu-Ling Wei, Kai-Wen Chen, and H Paul Wang (2010), “Study of Chromium Modified TiO2 Nano Catalyst Under Visible Light Irradiation”, American Scientific Publishers, pp 1-4 67 ... TỰ NHIÊN - - TRẦN THỊ BÍCH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH CROM Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN... dung nghiên cứu luận văn 2.1.1 Mục tiêu luận văn Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác bột titan điơxit kích thước nano biến tính crom 2.1.2 Các nội dung nghiên cứu luận... Điều chế bột TiO2 biến tính crom phƣơng pháp sol-gel 32 2.5 Điều chế bột TiO2 biến tính crom phƣơng pháp thủy phân 35 2.6 Phƣơng pháp khảo sát khả phân hủy quang xanh methylen bột TiO2 biến