Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung gel
Khi nung ở nhiệt độ và thời gian thích hợp, mẫu sẽ được cung cấp nhiệt lượng để thực hiện các quá trình chủ yếu là mất nước kết tinh, phản ứng pha rắn (nếu có), quá trình kết tinh, quá trình chuyển pha, .… Do đó việc chọn được thời gian nung thích hợp là quan trọng cho quá trình điều chế vì nó cung cấp vừa đủ nhiệt lượng cho các quá trình cần thiết xẩy ra trong mẫu, nếu nung ở thời gian quá ngắn sẽ làm các quá trình hình thành hạt sản phẩm, các quá trình biến đổi pha (nếu có) xảy ra không hoàn toàn và nếu nung quá lâu sẽ làm gia tăng kích thước hạt do kết tụ, không có lợi cho việc làm tăng hiệu suất phân hủy quang cũng như tốn kém năng lượng. Vì vậy việc lựa chọn thời gian nung hợp lí là rất cần thiết.
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung mẫu gel khô, các mẫu bột titan đioxit pha tạp vonfram được điều chế như đã nêu trong mục 2.1.2. Trong các thí nghiệm này, các điều kiện cố định bao gồm:
Tỉ lệ % mol Ti/C2H5OH: 4%
Tỉ lệ mol Ti/HNO3: 9
Tỉ lệ % mol W/TiO2 = 1,5%
Thời gian làm già gel: 5 ngày
Sấy gel trong tủ sấy chân không ở 90oC trong 24h;
Nung ở 600oC.
Thời gian nung các mẫu được thay đổi từ 1h đến 5h.
Các mẫu sau khi nung được đánh giá hoạt tính quang xúc tác thông qua khả năng phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước dưới bức xạ đèn compact (0,15g W/TiO2/200 ml xanh metylen 10 mg/l, thời gian chiếu sáng là 2,5h).
Hiệu suất phân hủy xanh metylen (%) của các mẫu sản phẩm được đưa ra trong bảng 3.3 và biểu diễn bằng đồ thị trên hình 3.4.
41
Từ bảng 3.3 và hình 3.4 có thể thấy, khi tăng thời gian nung từ 1h đến 5h thì hiệu suất quang phân hủy xanh metylen tăng dần và đạt cực đại 92,95% tại 4h sau đó giảm khi thời gian nung tăng lên 5h.
Bảng 3.3. Kết quả xác định hiệu suất quang phân hủy xanh metylen (%) phụ thuộc vào thời gian nung
Mẫu Thời gian nung (giờ) Hiệu suất QXT (%)
TN1 1 69,57
TN2 2 73,43
TN3 3 83,15
TN4 4 92,95
TN5 5 82,04
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất quang phân hủy xanh metylen
42
Để giải thích kết quả thu được, các mẫu sản phẩm được ghi giản đồ XRD để xác định mức độ kết tinh, thành phần pha, kích thước hạt trung bình của các vi tinh thể. Kết quả ghi giản đồ XRD của các mẫu được nung ở 600oC với các thời gian khác nhau được đưa ra trong hình 3.5.
01-089-4920 (C) - Rutile, syn - TiO2 - Y: 5.77 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.58400 - b 4.58400 - c 2.95300 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62.0 01-078-2486 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 25.47 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78450 - b 3.78450 - c 9.51430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - File: Hieu K22 mau 4h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° File: Lien K23 mau 5h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° File: Lien K23 mau 3h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° File: Lien K23 mau 2h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° File: Lien K23 mau 1h.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 9 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° -
Lin (Cps)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60 70
Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu được nung với các thời gian 1, 2, 3, 4, 5h ở 6000C
Kết quả tính toán kích thước hạt trung bình của các vi tinh thể và thành phần pha được đưa ra trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Thành phần pha và r (nm) của các mẫu W-TiO2 được nung ở 6000C với các thời gian khác nhau
Thời gian nung, h
Thành phần pha (%)
r (nm)
Anata Rutin
1 100 - 11,0
2 96,61 3,39 19,5
3 94,06 5,94 20,1
4 95,45 4,55 22,3
5 100 - 24,8
5h 4h 3h 2h 1h
43
Từ kết quả XRD có thể thấy:
- Mức độ kết tinh của các mẫu tương đối tốt và tăng theo thời gian nung.
- Thành phần pha: pha chính là anata, ngoài ra các mẫu nung ở 2-4h có xuất hiện lượng nhỏ pha rutin.
- Kích thước hạt trung bình khá nhỏ (từ 11 nm đến 24,8 nm), có xu hướng tăng dần khi thời gian nung tăng. Theo chúng tôi, điều này là do khi càng nung lâu, mức độ phát triển hạt và mức độ kết tụ các hạt trong mẫu càng lớn, dẫn tới tăng kích thước hạt trung bình.
Từ kết quả ghi giản đồ XRD ở trên có thể thấy, tương tự như ảnh hưởng của nhiệt độ nung, sở dĩ hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm biến đổi như trong đồ thị ở hình 3.4 là do ảnh hưởng của mức độ kết tinh, thành phần pha và kích thước hạt trung bình. Khi thời gian nung tăng lên (từ 1h đến 4h), mức độ kết tinh của sản phẩm tăng, đồng thời có xuất hiện lượng nhỏ rutin trong sản phẩm, kích thước hạt lại khá nhỏ, những yếu tố này làm tăng khả năng quang xúc tác của sản phẩm. Tuy nhiên, khi tăng thời gian nung ở nhiệt độ 600oC lên trên 4h thì kích thước hạt tinh thể tăng, làm giảm khả năng quang xúc tác của sản phẩm (như đã trình bày trong phần tông quan). Vì vậy, tổng hợp các yếu tố tác động đã làm cho hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm tăng khi thời gian nung từ 1h đến 4h, đạt cực đại ở 4h sau đó giảm xuống.
Từ các kết quả khảo sát trên, chúng tôi chọn thời gian nung gel thích hợp ở nhiệt độ 600oC để điều chế mẫu W-TiO2 là 4h. Do khi nung với thời gian này mẫu có mức độ kết tinh khá cao, thành phần pha chính là anata có lẫn lượng nhỏ rutin, kích thước hạt trung bình nhỏ, hiệu suất quang phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước dưới bức xạ đèn compact cao.