Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite g c3n4 sno2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ DIỆU LAN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/SnO2 Chun ngành : Hóa vơ Mã số : 8440113 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THỊ VIỆT NGA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Thị Việt Nga Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Việt Nga, người tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Kim thầy giáo, anh, chị, bạn phịng thực hành thí nghiệm hóa học- Khu A6- Trường Đại học Quy Nhơn, giúp đỡ, tạo điều kiện, hỗ trợ tơi q trình thực đề tài Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè ln động viên, khích lệ tinh thần thời gian thực luận văn Mặc dù cố gắng nhiên luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận góp ý q thầy để luận văn hồn thiện hơn! Tơi xin chân thành cảm ơn! MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, q trình cơng nghiệp hóa– đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ, chất lượng sống người ngày nâng cao gây sức ép lớn lên môi trường Hằng ngày, lượng lớn chất thải từ nhu cầu sinh hoạt người hoạt động sản xuất nhà máy, xí nghiệp chưa qua xử lý đưa trực tiếp ngồi mơi trường, đặc biệt mơi trường nước Qua q trình tích lũy lâu dài, hợp chất gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người loài sinh vật nước Do vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp xử lý triệt để chất độc hại, chất hữu môi trường nước cần thiết mối quan tâm hàng đầu nhiều quốc gia Để xử lý hợp chất có nhiều phương pháp áp dụng như: phương pháp hấp phụ, phương pháp sinh học, phương pháp oxi hóa khử,…Tuy nhiên chúng cịn tồn số nhược điểm hiệu suất thấp, kinh phí cao [38] Hiện nay, phương pháp để xử lý chất hữu đem lại hiệu cao phương pháp quang xúc tác [13] Phương pháp sử dụng chất xúc tác có khả phân hủy hồn tồn hợp chất hữu độc hại tác dụng ánh sáng mặt trời oxygen khơng khí nguồn lượng chất oxi hóa có sẵn tự nhiên Ngồi ra, phương pháp cịn có ưu điểm chất xúc tác rẻ tiền không gây ô nhiễm thứ cấp Thời gian gần đây, loại vật liệu bán dẫn không kim loại, dạng polymer carbon nitride có cấu trúc lớp graphite (g-C 3N4) quan tâm Vật liệu có ưu điểm lượng vùng cấm tương đối hẹp, khoảng 2,7eV, hấp thu ánh sáng khả kiến tốt, bền hóa [48] lại có nhược điểm dễ tái hợp electron lỗ trống quang sinh, dẫn đến hiệu suất xúc tác quang [18] Vì vậy, để tăng cường hiệu xúc tác quang loại vật liệu nhà khoa học biến tính g-C 3N4 với nhiều phương pháp khác pha tạp kim loại Au, Ag …, pha tạp phi kim O, S, P… đặc biệt phương pháp ghép để tạo vật liệu composite với WO 3,Cu2O, TiO2, SnO2, ZnO… Bên cạnh đó, chất oxit kim loại thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học SnO2 chất bán dẫn loại n có lượng vùng cấm rộng khoảng 3,6 eV nên vật liệu hoạt động vùng tử ngoại.Tuy nhiên, phần xạ tử ngoại quang phổ mặt trời đến bề mặt trái đất chiếm 3-5% nên việc sử dụng nguồn xạ vào mục đích xử lý mơi trường với xúc tác quang SnO2 bị hạn chế Vì vậy, nhiều nhà khoa học quan tâm đến việc biến tính SnO2 cách pha tạp lai ghép để tạo composite SnO2 với chất bán dẫn tương thích khác nhằm thu hẹp lượng vùng cấm để vật liệu có khả hoạt động xúc tác vùng ánh sáng khả kiến cải thiện hoạt tính xúc tác quang Việc kết hợp SnO2 với g-C3N4 khơng nằm ngồi mục đích tạo vật liệu mới, tăng cường hoạt tính quang xúc tác SnO vùng ánh sáng khả kiến, làm giảm tái kết hợp electron – lỗ trống g-C 3N4.Đã có số cơng trình tổng hợp composite SnO với g-C3N4bằng phương pháp khác nhau[15], [30], [39] Các composite phân hủy hợp chất hữu đạt hiệu suất quang xúc tác cao vùng ánh sáng khả kiến Tuy vậy, Việt Nam công bố việc biến tính SnO để làm xúc tác quang chưa nhiều Xuất phát từ thực tế sở khoa học trên, chọn đề tài:“Nghiên cứu tổng hợp khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu composite g-C3N4/SnO2” Mục tiêu đề tài Tổng hợp composite g-C3N4/SnO2 để tạo vật liệu có hoạt tính xúc tác quang Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: - g-C3N4; - SnO2; - g-C3N4/SnO2; - Methylene blue * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp g-C3N4/SnO2 khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu tổng hợp phản ứng phân hủy methylene blue dung dịch nước Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp tổng hợp vật liệu - Tổng hợp thu thập tài liệu liên quan đến đề tài; - Tổng hợp vật liệu SnO2 phương pháp sol-gel; - Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine phương pháp nhiệt, phản ứng thực pha rắn; - Tổng hợp vật liệu g-C3N4/SnO2 phương pháp thủy nhiệt * Phương pháp đặc trưng vật liệu - Các vật liệu đặc trưng phương pháp hóa lý đại như: + Nhiễu xạ tia X: xác định cấu trúc + Kính hiển vi điện tử qt (SEM): xác định hình thái bề mặt ngồi vật liệu + Phổ UV-Vis trạng thái rắn: xác định vùng hấp thụ ánh sáng lượng vùng cấm vật liệu + hợp + Phổ hồng ngoại (IR): xác định liên kết vật liệu tổng Phổ tán xạ lượng tia X (EDX): phân tích thành phần hóa học vật liệu rắn * Đánh giá hoạt tính xúc tác Hoạt tính xúc tác đánh giá theo phương pháp chuẩn Nồng độ hợp chất hữu MB xác định theo phương pháp UV-Vis Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu SnO2; - Tổng hợp vật liệu g-C3N4; -Tổng hợp vật liệu composite g-C3N4/SnO2; - Đặc trưng vật liệu tổng hợp; - Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu tổng hợp phản ứng phân hủy MB dung dịch nước ánh sáng khả kiến Cấu trúc luận văn Luận văn kết cấu gồm phần: Mở đầu Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận Kết luận CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1.1.1 Khái niệm xúc tác quang Năm 1930, khái niệm xúc tác quang đời Quang xúc tác xem kĩ thuật xanh sử dụng phổ biến thay đầy hứa hẹn cho phương pháp truyền thống, ưu điểm bật như: (i) sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời an tồn để kích hoạt phản ứng quang xúc tác, (ii) phân hủy hoàn toàn hợp chất hữu nên không gây ô nhiễm thứ cấp, (iii) khả tái sử dụng (iv) chi phí thấp Trong hố học, khái niệm xúc tác quang dùng để nói đến phản ứng xảy tác dụng đồng thời chất xúc tác (vật liệu bán dẫn rắn) ánh sáng mà ánh sáng nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy Khi có kích thích ánh sáng, chất bán dẫn tạo cặp electron – lỗ trống quang sinh có trao đổi electron chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối chất bán dẫn Xúc tác quang q trình oxi hóa – khử nhờ tác nhân ánh sáng Chất xúc tác quang quan tâm chất bán dẫn tinh khiết pha tạp với nguyên tố kim loại phi kim; ghép cặp chất bán dẫn với Trong khoảng hai mươi năm trở lại đây, vật liệu xúc tác quang ngày ứng dụng rộng rãi, đặc biệt lĩnh vực xử lí mơi trường Hình 1.1.Vùng lượng chất dẫn điện, chất bán dẫn, chất cách điện Hình 1.1 cho thấy thành phần vùng điện tử chất rắn xác định rõ ràng Theo lí thuyết vùng, cấu trúc điện tử kim loại gồm có vùng gồm obitan phân tử liên kết xếp đủ electron, gọi vùng hóa trị (Valance band-VB) vùng gồm obitan phân tử liên kết trống electron, gọi vùng dẫn (Conduction band - CB) Hai vùng chia cách khoảng cách lượng gọi vùng cấm, đặc trưng lượng vùng cấm Eg (Band gap energy) độ chênh lệch lượng hai vùng hóa trị vùng dẫn Sự khác vật liệu dẫn điện, cách điện, bán dẫn khác vị trí lượng vùng cấm Vật liệu bán dẫn vật liệu có tính chất trung gian vật liệu dẫn điện cách điện, có kích thích đủ lớn (lớn lượng vùng cấm Eg) electron vùng hóa trị vật liệu bán dẫn vượt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn, trở thành chất dẫn điện có điều kiện Nói chung, chất có Eg lớn 3,5 eV chất cách điện, ngược lại chất có Eg thấp 3,5 eV chất bán dẫn Những chất bán dẫn làm chất xúc tác quang (photocatalysts) kích thích photon ánh sáng có lượng lớn lượng vùng cấm Eg, electron hóa trị chất bán dẫn nhảy lên vùng dẫn Kết vùng dẫn có electron mang điện tích âm, gọi electron quang sinh (photogenerated electron e -CB) vùng hóa trị có lỗ trống mang điện tích dương, gọi lỗ trống quang sinh (photogenerated hole h+VB) [12] 1.1.2 Cơ chế phản ứng quang xúc tác Dưới tác dụng ánh sáng có bước sóng thích hợp, chế xúc tác quang chất bán dẫn gồm giai đoạn thể Hình 1.2 Hình 1.2.Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn [27] - - + Chất bán dẫn (C) + hν → e CB(C) + h VB(C) Giai đoạn 1: Vật liệu bán dẫn hấp phụ lượng ánh sáng mặt trời Electron hóa trị bị kích thích chiếu xạ ánh sáng với lượng cao với lượng vùng cấm Eg để lại lỗ trống tích điện dương VB - Giai đoạn 2: Cặp electron – lỗ trống quang sinh di chuyển đến bề mặt chất bán dẫn - Giai đoạn 3, 6: Sự tái tổ hợp electron – lỗ trống quang sinh bên (vùng hóa trị – vùng dẫn) bề mặt chất bán dẫn Lỗ trống mang điện tích dương chuyển động tự vùng hóa trị, electron khác nhảy vào lỗ trống để bão hịa điện tích, đồng thời tạo lỗ trống vị trí mà vừa khỏi Các electron quang sinh vùng dẫn có xu hướng tái kết hợp với lỗ trống quang sinh vùng hóa trị, kèm theo việc giải phóng lượng dạng nhiệt ánh sáng Quá trình làm giảm đáng kể hiệu xúc tác quang vật liệu, nên việc kéo dài thời gian sống electron lỗ trống làm tăng hiệu suất xúc tác quang - Giai đoạn 4, 5: Các phản ứng bề mặt chất bán dẫn: trình khử e-CB (giai đoạn 4) trình oxi hóa h+VB (giai đoạn 5) Rõ ... SnO2; - Tổng hợp vật liệu g- C3N4; -Tổng hợp vật liệu composite g- C3N4/ SnO2; - Đặc trưng vật liệu tổng hợp; - Khảo sát hoạt tính quang xúc tác vật liệu tổng hợp phản ứng phân hủy MB dung dịch nước... nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp g- C3N4/ SnO2 khảo sát hoạt tính xúc tác quang vật liệu tổng hợp phản ứng phân hủy methylene blue dung dịch nước Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp tổng hợp vật liệu. .. tài Tổng hợp composite g- C3N4/ SnO2 để tạo vật liệu có hoạt tính xúc tác quang Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: - g- C3N4; - SnO2; - g- C3N4/ SnO2; - Methylene blue * Phạm vi nghiên