Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung gel

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

3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung gel

Để chọn khoảng nhiệt độ nung thích hợp đối với gel khô thu được trong quá trình điều chế bột W/TiO2 kích thước nano, chúng tôi đã tiến hành điều chế gel, sấy khô gel ở nhiệt độ 90oC trong 24h và sau đó ghi giản đồ phân tích nhiệt nhằm xác định tính chất nhiệt của mẫu gel sau khi đã được sấy khô đó.

35

Quá trình điều chế mẫu gel khô - tiền chất để điều chế bột titan đioxit pha tạp vonfram - được tiến hành như đã nêu trong mục 2.1.2. Trong các thí nghiệm này, mẫu gel khô được điều chế với các điều kiện cố định như sau:

 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

 Thời gian sấy khô gel trong tủ sấy chân không ở 90oC là 24h.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel khô được đưa ra trong hình 3.1.

Furnace temperature /°C

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

TG/%

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

HeatFlow/àV

-35 -25 -15 -5 5 15 25 35

Peak :104.96 °C Peak :152.36 °C

Peak :254.46 °C

Peak :414.76 °C

Mass variation: -10.41 %

Mass variation: -9.40 % Figure:

27/11/2014 Mass (mg): 32.76

Crucible:PT 100 àl Atmosphere:Air Experiment:Mau W-TiO2(2)

Procedure:RT ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG

Exo

Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel W/TiO2 đã sấy khô

36

Từ giản đồ phân tích nhiệt trên hình có thể thấy:

- Tại 105oC: trên đường DSC xảy ra hiệu ứng thu nhiệt tương ứng với quá trình mất khối lượng trên đường TG. Theo chúng tôi, đây là quá trình mất nước.

- Tại 152oC, 254oC, 415oC: trên đường DSC xảy ra 3 hiệu ứng tỏa nhiệt tương ứng trên đường TG là sự mất khối lượng. Điều này chúng tôi quy gán cho sự cháy các hợp chất hữu cơ còn lại trong mẫu gel khô sau khi sấy (như dung môi ancol, axit, …)

- Từ khoảng 500oC mẫu đã tương đối ổn định khối lượng và trên đường DSC cũng không còn các hiệu ứng nhiệt.

Từ kết quả trên chúng tôi thấy, khi đã được nung ở nhiệt độ 500oC thì các mẫu đã tương đối ổn định khối lượng và thành phần, đồng thời trên đường DSC cũng không còn các hiệu ứng nhiệt thể hiện rõ. Như vậy chứng tỏ mẫu đã khá ổn định về thành phần và cấu trúc.

Từ tính chất nhiệt của mẫu gel khô thu được ở trên, chứng tôi lựa chọn vùng nhiệt độ để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước của bột W/TiO2 là từ 400 oC đến 650oC.

* Các mẫu sản phẩm sau khi nung ở các nhiệt độ 400, 450, 500, 550, 600, 6500C trong thời gian 4h, đã được đánh giá hoạt tính quang xúc tác thông qua hiệu suất quang 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).

Kết quả xác định hiệu suất quang phân hủy xanh metylen (%) của các mẫu sản phẩm được đưa ra trong bảng 3.1 và biểu diễn bằng đồ thị trên hình 3.2.

Từ bảng 3.1 và hình 3.2 có thể nhận thấy, khi tăng nhiệt độ nung gel từ 400 đến 650oC thì hiệu suất quang xúc tác tăng dần và đạt cực đại tại 600oC (93,86%) sau đó giảm xuống còn 90,56% nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung lên 650oC.

37

Để giải thích kết quả này chúng tôi đã tiến hành ghi giản đồ XRD của các mẫu sản phẩm để xác định mức độ kết tinh, thành phần pha, kích thước hạt trung bình của các vi tinh thể.

Bảng 3.1. Kết quả xác định hiệu suất phân hủy xanh metylen (%) phụ thuộc vào nhiệt độ nung

Mẫu Nhiệt độ nung Hiệu suất QXT (%)

T400 400 66,88

T450 450 71,48

T500 500 78,04

T550 550 85,73

T600 600 93,86

T650 650 90,56

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất quang phân hủy xanh metylen

38

* Các mẫu sản phẩm sau khi nung ở các nhiệt độ nung khác nhau được ghi giản đồ XRD. Kết quả được đưa ra trong hình 3.3.

01-089-4920 (C) - Rutile, syn - TiO2 - Y: 1.90 % - 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: 14.54 % - 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: Lien K23 mau 650.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 600.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 550.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 4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° - File: Lien K23 mau 450.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 400.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

Lin (Cps)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

Hình 3.3. Giản đồ XRD của các mẫu được nung với các nhiệt độ 400oC, 450 oC, 500 oC, 550 oC, 600 oC, 650oC trong 4h.

Từ giản đồ XRD, chúng tôi tính được kích thước hạt trung bình của các vi tinh thể và thành phần pha, kết quả được đưa ra trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Thành phần pha và r (nm) của các mẫu W-TiO2 được nung ở các nhiệt độ khác nhau

Mẫu Thành phần pha (%) r(nm)

Anata Rutin

T400 100 - 8,1

T450 100 - 10,2

T500 100 - 12,3

T550 96,10 3,90 16,9

T600 94,49 5,51 22,9

T650 91,64 8,36 25,9

650C 600C 550C 500C 450C 400C

39

Từ kết quả XRD trong hình 3.3 có thể thấy, khi nhiệt độ nung mẫu tăng dần thì từ 400oC đến 650oC trong thời gian 4h:

- Mức độ kết tinh của các mẫu tăng lên (đường nền của giản đồ XRD thấp dần, pic đặc trưng ngày càng rõ rệt và sắc nét hơn).

- Thành phần pha: Các mẫu sau khi nung tồn tại chủ yếu ở pha anata.

Pha rutin bắt đầu xuất hiện khi mẫu được nung ở 550oC sau đó tăng dần. Tuy nhiên tỷ lệ pha rutin/anata là nhỏ.

- Kích thước hạt trung bình của các vi tinh thể anata có trong mẫu tính theo phương trình Sherrer khá nhỏ và tăng dần theo nhiệt độ nung (từ 8,1 nm lên 25,9 nm).

Từ kết quả ghi giản đồ XRD ở trên có thể thấy, sở dĩ hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm biến đổi như trong đồ thị ở hình 3.2 là do ảnh hưởng của mức độ kết tinh, thành phần pha và kích thước hạt trung bình. Khi nhiệt độ nung tăng lên, mức độ kết tinh của sản phẩm tăng, đồng thời có xuất hiện lượng nhỏ rutin trong sản phẩm, điều này làm tăng khả năng quang xúc tác của sản phẩm.

Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ thì kích thước hạt tinh thể tăng, làm giảm diện tích bề mặt của chất xúc tác và dẫn đến làm giảm khả năng quang xúc tác của sản phẩm (như đã trình bày trong phần tông quan). Vì vậy, tông hợp các yếu tố tác động đã làm cho hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm tăng khi nhiệt độ tăng từ 400oC đến 600oC, đạt cực đại ở 600oC sau đó giảm xuống.

Từ kết quả khảo sát trên, chúng tôi lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu để điều chế mẫu bột W-TiO2 là 600oC. Do ở nhiệt độ này cấu trúc tinh thể của mẫu đã ổn định, mức độ kết tinh cao, thành phần pha chính là anata có lẫn một lượng nhỏ rutin (~5,5%), kích thước hạt tinh thể trung bình nhỏ (~23nm), hiệu suất quang phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước dưới bức xạ đèn compact đạt cực đại (~93%) cao. Và nhiệt độ nung 600oC được áp dụng cho các thí nghiệm tiếp sau.

40