Tổng hợp vật liệu 3d graphene aerogel bằng phương pháp khử hóa học và điều kiện khử khác nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  TRƯƠNG THỊ PHƯỢNG NGUYỆT XUÂN TRINH TỔNG HỢP VẬT LIỆU 3D GRAPHENE AEROGEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC VÀ ĐIỀU KIỆN KHỬ KHÁC NHAU Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 60.52.03.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỮU HIẾU (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: TS LÊ MINH VIỄN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS HOÀNG THỊ KIM DUNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ – Chủ tịch TS Nguyễn Tuấn Anh – Thư ký TS Lê Minh Viễn – Ủy viên phản biện TS Hoàng Thị Kim Dung – Ủy viên phản biện TS Hoàng Minh Nam – Ủy viên 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 (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƯƠNG THỊ PHƯỢNG NGUYỆT XUÂN TRINH MSHV: 1670005 Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1993 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: “Tổng hợp vật liệu 3D graphene aerogel phương pháp khử hóa học điều kiện khử khác nhau” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan về: graphene oxit, graphene, graphene aerogel, tính chất, ứng dụng, phương pháp tổng hợp graphene aerogel 2.2 Thực nghiệm 2.2.1 Tổng hợp graphene oxit từ graphite 2.2.2 Tổng hợp graphene aerogel từ graphene oxit 2.2.3 Khảo sát điều kiện khử hàm lượng, nhiệt độ, thời gian khử hai chất khử axit L-ascorbic ethylenediamine đến trình tổng hợp vật liệu graphene aerogel 2.2.4 Phân tích hình thái, cấu trúc, đặc tính sản phẩm graphene aerogel thu 2.2.5 Bước đầu thử nghiệm khả hấp phụ vật liệu graphene aerogel dầu HIPERF 4T SCOOTER, methylene blue, methyl orange 2.3 Kết bàn luận 2.4 Kết luận kiến nghị NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2017 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2018 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HIẾU Tp HCM, ngày … tháng… năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PTN TĐ ĐHQG TP.HCM - CNHH & DK (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn gia đình tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tác giả trình thực hồn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn đến thầy, cô khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ tác giả tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả q trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đến tập thể bạn anh, chị, em Phịng thí nghiệm Trọng điểm Đại học Quốc gia Tp HCM Cơng nghệ Hóa Học Dầu khí tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả Trương Thị Phượng Nguyệt Xuân Trinh ii TÓM TẮT Trong luận văn này, vật liệu graphene aerogel (GA) tổng hợp từ graphene oxit (GO) phương pháp khử hóa học Theo đó, GO tổng hợp từ graphite (Gi) phương pháp Hummers cải tiến Quá trình tổng hợp thực qua ba giai đoạn: oxy hóa Gi tạo thành GO, GO khử tạo thành khối graphene hydrogel (GH) sấy thăng hoa GH để tạo thành GA Ảnh hưởng chất khử axit L-ascorbic (LAA) ethylenediamine (EDA), hàm lượng thể tích chất khử, nhiệt độ, thời gian đến trình khử GO nghiên cứu thơng qua hình thái, cấu trúc, đặc tính GA thu khối lượng riêng, phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt riêng theo phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ N2 (Brunauer – Emmett – Teller – BET) sau: + Đối với chất khử LAA: trình khử sử dụng 0,16 g LAA 90oC tiến hành thu sản phẩm GAL3 có khối lượng riêng 20,15 mg/cm3 chịu cân 100 g Tỉ lệ ID/IG phổ Raman sản phẩm có giá trị 1,14 cao so với GO cho thấy GAL3 có nhiều vùng sp2 tâm hấp phụ GAL3 có ảnh SEM thể kích thước lỗ xốp trung bình 5,29 µm diện tích bề mặt riêng theo BET 574,6 m2/g + Đối với chất khử EDA: trình khử sử dụng 30 µL EDA 90oC tiến hành thu sản phẩm GAE2 có khối lượng riêng 4,57 mg/cm3 Tỉ lệ ID/IG phổ Raman có giá trị 1,23 cao so với GO GAL3 cho thấy GAE2 có nhiều vùng sp2 tâm hấp phụ GAE2 có ảnh SEM thể kích thước lỗ xốp trung bình 50 µm diện tích bề mặt riêng theo BET 1845 m2/g Bước đầu thử nghiệm khả hấp phụ GAL3 GAE2 dầu HI-PERF 4T SCOOTER, methylene blue (MB), methyl orange (MO) Kết thử nghiệm cho thấy: GAL3 GAE2 có khả hấp phụ dầu lớn 45 g/g; khả hấp phụ GAE2 MB, MO tương ứng 234,06 mg/g, 218,77 mg/g cao so với GAL3 (221,17 mg/g, 186,16 mg/g) iii ABSTRACT In this thesis, graphene aerogel (GA) was synthesized from graphene oxide (GO) by chemical reduction According to that, GO was prepared from graphite (Gi) by improved Hummers method The synthesis was carried out through three steps: oxidation of Gi to form graphene oxide, reduction of GO to form graphene hydrogel (GH), and freeze drying of graphene hydrogel (GH) to form graphene aerogel (GA) Influences of L-ascorbic acid (LAA) and ethylenediamine (EDA) as reductants, quantity, temperature, and time on the reduction of GO were studied through morphology of GA characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning Electron Microscope (SEM), and specific surface measured by isothermal adsorption-desorption of N2 (Brunauer – Emmett – Teller – BET): + Regarding to LAA as reductant: the reduction required 0.16 g of LAA, performed at 90oC in hours which resulted in the product GAL3 had the density of 20.15 mg/cm3 and was able to support 100 g weight In the Raman spectrum, the ID/IG ratio was 1.14 and higher than that of GO, revealing that GAL3 had more sp2 areas and adsorption sites SEM images showed the porous morphology of GAL3 with the pore size was 5.29 µm The specific surface area of GAL3 was 574.6 m2/g, according to BET + Regarding to EDA as reductant: the reduction required 30 µL of EDA, performed at 90oC in hours, which resulted in the product GAE2 had the density of 4.57 mg/cm3 In the Raman spectrum, the ID/IG ratio was 1.23, higher than that of GO and GAL3, revealing that GAL3 had more sp2 areas and adsorption sites SEM images showed the porous morphology of GAE2 with the pore size was 50 µm The specific surface area of GAE2 was 1845 m2/g, according to BET The adsorption ability of GAL3 and GAE2 were tested towards HI-PERF 4T SCOOTER oil, methylene blue (MB), and methyl orange (MO) The results indicated that: The ability of adsorbing oil of GAL3 and GAE2 were higher than 45 g/g; the capacity of GAE2 towards MB and MO were 234.06 mg/g and 218.77 mg/g, respectively, which were higher than those of GAL3 (221.17 mg/g and 186.16 mg/g, respectively) iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu cá nhân tác giả thực hướng dẫn thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn toàn trung thực Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2018 Tác giả Trương Thị Phượng Nguyệt Xuân Trinh i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm 1.2 Tính chất GA 1.2.1 Khối lượng riêng 1.2.2 Tính chất 1.2.3 Tính chất điện 1.2.4 Tính chất nhiệt 1.3 Ứng dụng 1.3.1 Vật liệu xúc tác 1.3.2 Xử lý nước mặn 1.3.3 Siêu tụ điện 1.3.4 Vật liệu hấp phụ 1.3.4.1 Khả hấp phụ GA dầu 1.3.4.2 Khả hấp phụ GA thuốc nhuộm 1.3.4.3 Khả hấp phụ GA hợp chất thơm 1.3.4.4 Khả hấp phụ GA ion kim loại nặng 1.4 Phương pháp tổng hợp 1.4.1 Phương pháp in 3D 1.4.2 Phương pháp liên kết ngang 10 1.4.3 Phương pháp thủy nhiệt 11 1.4.4 Phương pháp khử hóa học 11 1.5 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, tính 20 1.5.1 Tính cấp thiết 20 1.5.2 Mục tiêu 21 1.5.3 Nội dung 21 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu 21 1.5.4.1 Tổng hợp GA từ GO phương pháp khử hóa học 21 1.5.4.2 Sử dụng phương pháp phân tích khảo sát cấu trúc, hình thái, đặc tính GA 21 1.5.4.3 Đánh giá khả hấp phụ 27 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Hóa chất, dụng cụ, địa điểm 29 2.1.1 Hóa chất 29 2.1.2 Dụng cụ 29 2.1.3 Địa điểm thực 30 2.2 Thí nghiệm 30 2.2.1 Tổng hợp GA 30 2.2.1.1 Giai đoạn 1: tổng hợp GO từ Gi phương pháp Hummers cải tiến 30 2.2.1.2 Giai đoạn 2: tổng hợp GH từ GO phương pháp khử hóa học 31 2.2.1.3 Giai đoạn 3: sấy thăng hoa GH tạo thành GA 31 2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến trình khử GO 32 2.2.2.1 Đối với tác nhân khử LAA 32 2.2.2.2 Đối với tác nhân khử EDA 33 2.3 Phân tích cấu trúc, hình thái, đặc tính GA 34 2.3.1 Khối lượng riêng 34 2.3.2 FT – IR 35 2.3.3 XRD 35 2.3.4 Raman 35 2.3.5 SEM 35 2.3.6 BET 36 2.3.7 UV–VIS 36 2.4 Khảo sát khả hấp phụ sản phẩm GA phù hợp 36 2.4.1 Hấp phụ dầu 36 2.4.2 Hấp phụ MB 36 2.4.3 Hấp phụ MO 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37 3.1 Ảnh hưởng điều kiện khử 37 3.1.1 Đối với chất khử LAA 37 3.1.1.1 Hàm lượng chất khử 37 3.1.1.2 Nhiệt độ khử 40 3.1.1.3 Thời gian khử 43 3.1.2 Đối với chất khử EDA 44 3.1.2.1 Hàm lượng chất khử 44 3.1.2.2 Nhiệt độ khử 46 3.1.2.3 Thời gian khử 47 3.2 Khả hấp phụ GAL3 GAE2 51 3.2.1 Đối với dầu 51 3.2.2 Đối với MB, MO 52 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 63 Phụ lục 1.5 Kết XRD GAL3 Phụ lục 1.6 Kết Raman GO Phụ lục 1.7 Kết phổ Raman GAL3 Phụ lục 1.8 Kết phổ Raman GAL8 Phụ lục 1.9 Kết phổ Raman GAE1 Phụ lục 1.10 Kết phổ Raman GAE2 Phụ lục 1.11 Kết phổ Raman GAE3 Phụ lục 1.12 Kết phổ Raman GAE8 Phụ lục 1.13 Kết phổ Raman GAE12 Phụ lục 1.14 Kết phổ Raman GAE13 Phụ lục 1.15 Ảnh SEM GAL3 Phụ lục 1.16 Ảnh SEM GAL8 Phụ lục 1.17 Ảnh SEM GAE2 Phụ lục 1.18 Ảnh SEM GAE12 Phụ lục 1.19 Ảnh SEM GAE13 Phụ lục 1.20 Kết BET GAL3 Phụ lục 1.21 Kết BET GAE2 Phụ lục Phương pháp xây dựng đường chuẩn xác định dung lượng hấp phụ GAL3, GAE2 Phụ lục 2.1 Phương pháp xác định khả hấp phụ dầu Dầu cho vào đĩa pettry, lượng chất hấp phụ xác định cho vào để hấp phụ dầu Xác định khối lượng vật liệu sau hấp phụ Vật liệu Khối lượng trước Khối lượng sau Khả hấp phụ hấp phụ (g) (g) (g/g) GAL3 0,027 1,26 45,76 GAE2 0,03 2,31 76,0 Phụ lục 2.2 Phương pháp xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MB, MO UV-Vis a) Dung dịch MB Đường chuẩn để xác định nồng độ MB dung dịch Nồng độ MB ban đầu Thể tích hút Nồng độ MB thực tế Độ hấp thu A (ppm) (mL) (ppm) 10 0,125 0,5 0,093 10 2,5 0,204 10 0,42 10 10 0,84 10 12,5 1,044 10 15 1,243 Dung dịch định mức lên 25 mL nước cất lắc máy lắc 10 phút tiến hành đo độ hấp phụ UV-Vis bước sóng tối ưu 665nm Đường chuẩn xác định nồng độ MB theo độ hấp thu A b) Dung dịch MO Đường chuẩn để xác định nồng độ MO dung dịch Nồng độ MO ban đầu Thể tích hút Nồng độ MO thực tế Độ hấp thu A (ppm) (mL) (ppm) 20 3,125 2,5 0,184 20 6,25 0,351 20 9,375 7,5 0,504 20 12,5 10 0,658 20 15,625 12,5 0,803 20 18,75 15 0,954 20 25 20 1,231 Dung dịch định mức lên 25 mL nước cất lắc máy lắc 10 phút tiến hành đo độ hấp phụ UV-Vis bước sóng tối ưu 465nm Đường chuẩn xác định nồng độ MO theo độ hấp thu A Phụ lục 2.3 Số liệu thực nghiệm đánh giá khả hấp phụ vật liệu GAE2 GAL3 a) Dung dịch MB Vật liệu hấp phụ Độ hấp thu A Nồng độ đầu Nồng độ sau (ppm) (ppm) GAL3 0,116 50 5,76 GAE2 0,062 50 3,18 b) Dung dịch MO Vật liệu hấp phụ Độ hấp thu A Nồng độ đầu (ppm) Nồng độ sau (ppm) GAL3 0,801 400 251,07 GAE2 0,723 400 224,98 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ... thuật Hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: ? ?Tổng hợp vật liệu 3D graphene aerogel phương pháp khử hóa học điều kiện khử khác nhau? ?? II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan về: graphene oxit, graphene, ... tìm phương pháp tổng hợp cần thiết 1.4 Phương pháp tổng hợp GA tổng hợp nhiều phương pháp khác in 3D, liên kết ngang, [36,37,38], thủy nhiệt [5], khử hóa học [39], 1.4.1 Phương pháp in 3D Phương. .. SCOOTER, MB, MO 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5.4.1 Tổng hợp GA từ GO phương pháp khử hóa học [61] + Khử GO phương pháp khử hóa học với hai loại chất khử khác (LAA, EDA) điều kiện khử khác + Sấy GH