tổng hợp
a. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ Cu2+ cấy ghép và thời gian chiếu sáng
Tiến hành chiếu sáng để khảo sát khả năng phân hủy Rh-B 30 ppm của các mẫu vật liệu tổng hợp, kết quả thu được qua bảng 3.2 và hình 3.7 cho thấy rằng, độ chuyển hóa Rh-B trên các mẫu vật liệu cấy Cu2+ (CuMgAl0,5 - CuMgAl3,5) đều tăng khi tăng thời gian chiếu sáng. Tuy nhiên, độ chuyển hóa Rh-B chỉ đạt khoảng 18,67% sau 240 phút chiếu sáng trên mẫu vật liệu MgAl. Đặc biệt, 3 mẫu vật liệu CuMgAl2,0; CuMgAl2,5 và CuMgAl3,0 có hoạt tính xúc tác tuyệt vời nhất, độ chuyển hóa Rh-B trên 3 mẫu vật liệu này có thể đạt tới 90 - 92% chỉ sau 30 phút chiếu sáng. Điều này có được là do vai trò của ion Cu2+ trong các mẫu vật liệu này. Thứ nhất là các vật liệu cấy Cu2+ có khả năng bị kích hoạt bởi ánh sáng khả kiến (phổ UV-Vis DRS) để tạo ra các cặp electron(e-) và lỗ trống (h+). Thứ hai là dưới ánh sáng đèn LED cùng với sự có mặt của H2O2, các mẫu vật liệu CuMgAl có khả năng tạo ra các gốc hydroxyl (OH•) tham gia vào quá trình phân hủy Rh-B [14, 15, 27]:
Cu2+-MgAl + H2O2 → Cu+-MgAl + H+ + HO2- (3.1); Cu+-MgAl + H2O2 → OH• + OH- + Cu2+-MgAl (3.2); Cu2+-MgAl + hυ → Cu2+-MgAl (e-, h+) (3.3); h+ + Rh-B → các sản phẩm oxi hóa trung gian không màu (3.4); e- + Rh-B → các sản phẩm khử trung gian không màu (3.5);
e- + H2O2 → OH• + OH- (3.6);
h+ + OH- → OH• (3.7)
Bảng 3.3. Độ chuyển hóa Rh-B theo thời gian của các vật liệu tổng hợp
Thời gian (phút)
Độ chuyển hóa Rh-B trên các mẫu vật liệu xúc tác (%) MgAl (H) CuMgAl 0,5 CuMgAl 1,0 CuMgAl 1,5 CuMgAl 2,0 CuMgAl 2,5 CuMgAl 3,0 CuMgAl 3,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30 4,05 58,19 63,68 75,73 89,50 91,25 92,41 61,90 60 6,39 67,64 76,21 86,40 91,50 93,02 93,77 72,31 90 8,54 75,73 84,50 91,70 92,72 94,92 94,57 82,96 120 10,32 78,90 89,71 96,19 93,39 95,84 96,11 87,40 150 12,85 82,07 92,62 98,07 94,96 97,31 97,41 92,51 180 16,58 84,27 94,67 100 97,51 98,53 98,46 95,98 210 22,09 86,54 95,88 100 98,60 100 100 96,71 240 18,67 87,90 96,43 100 100 100 100 97,50
Chú thích: 250 mL dung dịch Rh-B 30 ppm, 0,2 g vật liệu, 1,2 mL H2O2 30%
Hình 3.7. Độ chuyển hóa Rh-B trên các mẫu vật liệu tổng hợp sau 240 phút
chiếu sáng bằng đèn LED 30 W
Hình 3.8. Phổ UV-Vis của Rh-B sau 240 phút chiếu sáng bằng đèn LED 30 W trên
các mẫu vật liệu MgAl (A), CuMgAl0,5 (B), CuMgAl3,0 (C) và CuMgAl3,5 (D)
(D) (C)
(B) (A)
Hình 3.8 là phổ UV-Vis của Rh-B thay đổi theo thời gian chiếu sáng. Khi bị kích thích bởi ánh sáng khả kiến, các vật liệu hydrotanxit MgAl và hydrotanxit cấy Cu2+ - CuMgAl có khả năng phân hủy Rh-B với tốc độ khác nhau. Đỉnh pic hấp thụ của Rh-B ở bước sóng 553 nm giảm khi tăng thời gian chiếu sáng. Chiều cao đỉnh pic ở 553 nm đối với mẫu MgAl giảm chậm sau 240 phút chiếu sáng. Tuy nhiên, pic hấp thụ của Rh-B ở bước sóng 553 nm giảm mạnh chỉ sau 30 phút chiếu sáng đối với mẫu CuMgAl3,0, màu hồng của dung dịch ban đầu bị biến mất một cách nhanh chóng, dung dịch trở nên trong suốt chỉ sau một khoảng thời gian rất ngắn. Như vậy, các mẫu vật liệu cấy Cu2+ có khả năng phân hủy Rh-B khác nhau, phụ thuộc vào tỷ lệ Cu2+ cấy ghép. Với kết quả thu được, có thể sắp xếp hoạt tính xúc tác của dãy vật liệu tổng hợp theo thứ tự sau: MgAl < CuMgAl0,5 < CuMgAl3,5 < CuMgAl1,0 < CuMgAl1,5 < CuMgAl2,0 ~ CuMgAl2,5 ~ CuMgAl3,0. Do đó, các mẫu vật liệu cấy Cu2+ theo tỉ lệ mol Cu2+ = 2,0 – 3,0 là tỉ lệ tối ưu để thu được các vật liệu có hoạt tính tốt nhất.
b. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Rh-B đến hoạt tính xúc tác của vật liệu
Chúng tôi sử dụng mẫu vật liệu CuMgAl2,0 để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Rh-B đến hoạt tính xúc tác của vật liệu. Kết quả khảo sát ứng với các nồng độ Rh-B tương ứng là 30, 50, 75 và 100 ppm được thể hiện qua bảng 3.3 và hình 3.9 dưới đây.
Bảng 3.4. Độ chuyển hóa Rh-B trên mẫu CuMgAl2,0
tại các nồng độ Rh-B khác nhau Thời gian
(phút)
Độ chuyển hóa Rh-B ở các nồng độ khác nhau(%)
30 ppm 50 ppm 75 ppm 100 ppm 0 0 0 0 0 30 89,5 81,47 70,45 73,21 60 91,5 84,27 76,97 77,81 90 92,72 87,13 82,30 82,30 120 93,39 86,89 86,87 85,30 150 94,96 88,44 90,11 86,86 180 97,51 89,51 93,09 89,31 210 98,6 90,70 93,73 91,59 240 100 91,18 94,29 92,75
Hình 3.9. Độ chuyển hóa Rh-B theo thời gian trên mẫu CuMgAl2,0 tại các nồng độ Rh-B là 30, 50, 75 và 100 ppm
Từ kết quả thu được trong bảng 3.3 và hình 3.9, chúng ta có thể thấy rằng, khả năng phân hủy Rh-B của mẫu vật liệu CuMgAl2,0 giảm khi tăng nồng độ Rh-B trong dung dịch từ 30 - 100 ppm. Độ chuyển hóa Rh-B nhìn chung đều tăng nhanh trong khoảng 30 phút chiếu sáng đầu tiên (đạt tới 70 = 90%), sau đó có xu hướng tăng chậm lại sau khoảng 210 phút chiếu sáng sau đó. Tuy nhiên, độ chuyển hóa Rh-B treena mẫu vật liệu CuMgAl2,0 đều có thể đạt tới trên 90% sau 240 phút chiếu sáng. Điều đó chứng tử rằng các mẫu vật liệu tổng hợp có tỉ lệ Cu2+ tối ưu đều có khả năng phân hủy Rh-B ở nồng độ khá cao. Nếu so sánh với các mẫu vật liệu FeTiH và CuTiH [5, 6, 7] trong cùng điều kiện khảo sát thì các mẫu vật liệu CuMgAl có hoạt tính cao hơn hẳn. Từ kết quả này, chúng tôi sẽ có những định hướng nghiên cứu trong tương lai về các vật liệu hydrotanxit hay hydroxit lớp kép biến tính bởi các ion kim loại chuyển tiếp.
c. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường đến hoạt tính xúc tác của vật liệu
Sử dụng mẫu vật liệu CuMgAl2,0 để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các môi trường ph khác nhau đến hoạt tính xúc tác của vật liệu. Chúng tôi pha dung dịch Rh-B nồng độ 30 ppm, sau đó dùng dung dịch NaOH 0,1N và HCl0,1N để điều chỉnh pH của dung dịch Rh-B đến các giá trị cần khảo sát 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 và 10,0. Kết quả của quá trình khảo sát được thể hiện ở bảng 3.4 và hình 3.10 dưới đây.
Bảng 3.5. Độ chuyển hóa Rh-B 30 ppm trên mẫu vật liệu CuMgAl2,0 ở các giá trị pH môi trường khác nhau
Thời gian (phút)
Độ chuyển hóa Rh-B ở các giá trị pH khác nhau (%)
pH = 2,0 pH = 4,0 pH = 6,0 pH = 8,0 pH = 10,0 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 30 24,87 67,46 76,13 75,81 48,80 60 30,84 76,32 82,77 79,92 57,70 90 37,69 80,87 87,25 84,03 64,90 120 46,92 85,24 86,92 86,73 67,42 150 54,65 91,85 89,15 89,76 70,14 180 62,50 90,82 89,74 90,97 72,16 210 69,28 94,93 91,26 91,44 70,52 240 80,15 93,58 91,72 94,47 73,61 Chú thích: 250 mL Rh-B nồng độ 30 ppm, 0,2 g vật liệu, 1,2 mL H2O2 30%
Hình 3.10. Độ chuyển hóa Rh-B trên mẫu CuMgAl2,0 ở các giá trị pH
môi trường khác nhau
Từ kết quả thu được qua bảng 3.4 và hình 3.10, chúng ta có thể thấy rằng pH môi trường có ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính xúc tác của mẫu vật liệu CuMgAl2,0. Trong môi trường axit mạnh (pH = 2,0), hoạt tính xúc tác của mẫu vật liệu khảo sát giảm rõ rệt, có thể là do sự phá hủy cấu trúc của vật liệu, lượng Cu2+ trong mẫu bị
hòa tan, làm giảm số tâm xúc tác. Hoạt tính xúc tác của vật liệu cũng giảm tại pH = 10,0 so với khoảng pH tối ưu từ 4,0 đến 8,0, điều này có thể là do độ nhớt của dung dịch tăng ở pH cao, làm giảm khả năng khuếch tán của Rh-B và hấp thụ ánh sáng của vật liệu [4]. Do vậy, khoảng pH tối ưu để phân hủy Rh-B của vật liệu là 4,0 – 8,0, phù hợp từ môi trường axit yếu đến môi trường bazơ yếu.
Hình 3.11. Phổ UV-Vis của Rh-B phân hủy theo thời gian ở các giá trị pH
môi trường khác nhau, pH = 2,0 (A), 8,0 (B) và 10,0 (C)
Kết quả quét dải phổ của Rh-B theo thời gian chiếu sáng tại các giá trị pH khảo sát 2,0; 8,0 và 10,0 trên hình 3.11 cho thấy, cường độ pic hấp thụ tại bước sóng 553 nm giảm đáng kể chỉ sau 30 phút chiếu sáng tại pH = 8,0. Sau 240 phút chiếu sáng, dung dịch bị mất màu hoàn toàn, đỉnh pic hấp thụ ở 553 nm hoàn toàn biến mất. Trong khi đó, khả năng phân hủy Rh-B ở pH = 10,0 thấp hơn hẳn so với pH = 8,0 nhưng cao hơn nhiều so với pH = 2,0.