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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, công 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 cơng bố cơng trình khác (chỉ công 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 tơi suốt q trình học tập, thực nghiệm nghiên cứu hồn thành luận án Tơi 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 phòng thí nghiệm hố mơi trường tạo điều kiện thuận lợi để tơi thực hồn thành kế hoạch nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo, quý anh chị em bạn đồng nghiệp cơng 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 suốt 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 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 1.1 Tổng quan vật liệu xúc tác quang hệ 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Vật liệu Ta 3N5 1.1.3 Vật liệu BiVO4 14 1.1.4 Vật liệu g-C3N4 17 1.2 Tổng quan vật liệu xúc tác quang biến tính chứa Ta3N 21 1.2.1 Pha tạp Ta3N với kim loại 22 1.2.2 Lai ghép Ta3N 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 Ta3N biến tính 30 1.3 Ứng dụng số hệ vật liệu xúc tác quang hệ liên quan tới Ta 3N , BiVO4 g-C3N4 32 1.4 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 37 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 CO2 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 Ta3N phương pháp nhiệt pha rắn 49 2.2.2 Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ ure phương pháp nhiệt pha rắn .49 2.2.3 Tổng hợp vật liệu BiVO4 phương pháp thủy nhiệt .49 2.3 Tổng hợp hệ vật liệu xúc tác quang hệ sở Ta 3N5 .50 2.3.1 Tổng hợp hệ vật liệu Ta3N5/BiVO4 50 2.3.2 Tổng hợp vật liệu hệ Ta 3N5/g-C3N 51 2.3.3 Tổng hợp vật liệu V-Ta3N5 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 2.5.3 Phương pháp xác định hàm lượng RhB 56 2.6 Thí nghiệm chuyển CO2 thành nhiên liệu tái sinh 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Vật liệu xúc tác quang hệ Ta3N5/BiVO4 59 3.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng Ta3N5/BiVO4 đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta3N5/BiVO4 59 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta3N5/BiVO4 66 3.1.3 Đặc trưng vật liệu lai ghép TB-5-600 70 3.2 Vật liệu xúc tác quang hệ Ta 3N5/g-C3N 76 3.2.1 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng Ta3N 5/g-C3N4 đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta 3N5/g-C3N 76 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến đặc trưng hoạt tính quang xúc tác vật liệu Ta3N 5/g-C3N4 82 3.2.3 Đặc trưng vật liệu lai ghép TCN-2-550 86 3.3 Vật liệu xúc tác quang hệ V-Ta3N5 92 3.3.1 Đặc trưng vật liệu V-Ta3N5 92 3.3.2 Hoạt tính quang xúc tác vật liệu V-Ta3N5 96 3.3.3 Động học phản ứng phân hủy RhB vật liệu V- Ta 3N5 tỉ lệ khối lượng khác 98 3.3.4 Đặc trưng vật liệu 2%V-Ta3N5 99 3.4 Ứng dụng hệ vật liệu TB-5-600, TCN-2-550 2%V-Ta3N5 cho q trình oxi hố phân huỷ chất hữu ô nhiễm 102 3.4.1 Hiệu trình oxi hố phân huỷ RhB vật liệu xúc tác quang TB-5-600, TCN-2-550 2%V-Ta3N5 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 3.4.3 Giải thích chế oxi hố phân hủy RhB vật liệu TB-5-600 TCN2-550 107 3.5 Ứng dụng hệ vật liệu V-Ta3N5 Ta3N5/BiVO4 q trình chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu tái sinh 110 KẾT LUẬN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 DANH MỤC PHỤ LỤC a DANH MỤC PHỤ LỤC e DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu từ viết tắt CB Chú thích Tiếng Anh Chú thích Tiếng Việt Conduction Band Vùng dẫn Energy-Dispersive X-rayspectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm IR Infrared High-resolution transmission điện tử Hồng ngoại Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy 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 Ultraviolet – Visible Diffuse Phổ phản xạ khuếch tán tử DRS Reflectance Spectroscopy ngoại - khả kiến VB 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 EDX HRTEM UV-Vis- DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cơ chế xử lý chất hữu vật liệu xúc tác quang TiO2 Hình 1.2 Cơ chế xúc tác quang phân hủy chất hữu vật liệu bán dẫn hệ Hình 1.3 Cơ chế xúc tác quang chuyển hóa CO2 vật liệu bán dẫn hệ Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể Ta 3N : 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 3N5 10 Hình 1.6 Cơ chế quang khử CO2 vật liệu xúc tác quang bán dẫn 11 Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp (a) ảnh SEM (b) vật liệu Ta3N 12 Hình 1.8 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Ta 3N5 từ Ta2O PSAM 13 Hình 1.9 Vật liệu bán dẫn Ta3N pha tạp kim loại 14 Hình 1.10 Vật liệu bán dẫn Ta3N lai ghép với vật liệu bán dẫn khác 14 Hình 1.11 Cấu trúc tinh thể BiVO4 15 Hình 1.12 Cấu trúc vùng BiVO4 tetragonal zircon monoclinic scheelite 15 Hình 1.13 Cơ chế xúc tác quang phân hủy RhB vật liệu BiVO4 16 Hình 1.14 Mặt phẳng graphitic (a) hexagonal (b) orthorhombic g-C3N4 18 Hình 1.15 Cấu trúc 2D g-C3N4 (a), cấu trúc đơn vị triazin (b) tri-striazin (heptazin) (c) g-C3N4 19 Hình 1.16 Cơ chế xúc tác quang vật liệu g-C3N4 vùng ánh sáng nhìn thấy 20 Hình 1.17 Sơ đồ điều chế g-C3N4 cách ngưng tụ NH(NH2)2 .21 Hình 1.18 Tổng hợp vật liệu g-C3N4 g-C3N4 biến tính C 21 Hình 1.19 Cơ chế xúc tác quang vật liệu Ta3N5/g-C3N4 26 Hình 1.20 Cơ chế quang xúc tác vật liệu composit Ta3N TaON với Bi 2O3 27 Hình 1.21 Năng lượng vùng cấm số chất bán dẫn pH = 29 Phụ lục 2.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N2 vật liệu BiVO4 n o Phụ lục 2.11: Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ N2 vật liệu Ta3N5 p Phụ lục 2.12: Phổ hồng ngoại vật liệu BiVO4 q Phụ lục 2.13: Phổ hồng ngoại vật liệu g-C3N4 r Phụ lục 2.14: Phổ hồng ngoại vật liệu Ta3N5/BiVO4, Ta3N5/g-C3N4 VTa3N5 (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. .. 2.2.3 Tổng hợp vật liệu BiVO4 phương pháp thủy nhiệt .49 2.3 Tổng hợp hệ vật liệu xúc tác quang hệ sở Ta 3N5 .50 2.3.1 Tổng hợp hệ vật liệu Ta3N5/BiVO4 50 2.3.2 Tổng hợp vật liệu hệ... 2.3.3 Tổng hợp vật liệu V-Ta3N5 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