Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp đo quang xác định hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm W/TiO2 điều chế đƣợc
Trong luận văn này, hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm W/TiO2 được đánh giá qua khả năng quang phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước, sử dụng nguồn chiếu sáng của đèn compact dân dụng 40W.
28
* Xanh metylen là hợp chất dị vòng thơm, khối lượng phân tử 319,85g/mol, công thức phân tử C16H18N3SCl, có cấu tạo phân tử được biểu diễn như sau:
Xanh metylen tinh khiết ở dạng tinh thể màu xanh lục, có ánh kim, tan tốt trong nước, etanol, thường được dùng làm chất chỉ thị trong hóa phân tích, làm thuốc sát trùng, làm chất giải độc xianua, làm thuốc nhuộm, mực in, ....
* Nguồn sáng sử dụng trong phản ứng xúc tác quang: Hiện nay, trong các công trình nghiên cứu về quang xúc tác trong và ngoài nước, nhiều nguồn sáng và phương thức chiếu xạ khác nhau đã được sử dụng như: đèn BLET, đèn xenon 320W, đèn thủy ngân cao áp 200w chiếu ngoài cách 10 cm, đèn huỳnh quang 13w 2% UV, ....
Trong công trình này, bộ đèn compact dân dụng Goldstar đã được chọn làm nguồn sáng, bóng đèn được nhúng trực tiếp vào dung dịch thử. Quang phổ đèn compact được đưa ra trên hình 2.1.
Hình 2.1. Quang phổ đèn compact 40W hiệu Goldstar
Trong quang phổ đèn được đưa ra trên hình 2.1 cho thấy: bước sóng ánh sáng của đèn chủ yếu nằm trong vùng λ = 400÷600 nm, vùng phổ có λ ≥ 610 nm khá nhỏ, vùng phổ có λ 300 nm không có, bước sóng trung bình của
29
quang phổ đèn là λ = 540 nm. Phổ đèn như trên sẽ thích hợp cho việc thử hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
* Thiết bị phản ứng để xác định hiệu suất phân hủy quang xúc tác xanh metylen trong dung dịch nước được đưa ra trong hình 2.2.
Hình 2.2. Thiết bị phản ứng phân hủy quang xúc tác xanh metylen
* Quá trình thực nghiệm được tiến hành như sau: Cho chính xác 0,15g bột TiO2 vào cốc đã chứa sẵn 200 ml dung dịch xanh metylen có nồng độ 10 mg/l. Huyền phù được khuấy 30 phút trong bóng tối để đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp. Sau đó, dùng đèn Compact Goldstar có công suất 40W chiếu sáng huyền phù trong 2h ở điều kiện khuấy trộn đều.
Dung dịch xanh metylen sau khi phân hủy được li tâm để loại hết bột TiO2 và tiến hành đo độ hấp thụ quang Abs trên phổ hấp thụ UV-Vis ở bước sóng hấp thụ cực: λmax = 663 nm. Từ các giá trị Abs đo được, thay vào phương trình đường chuẩn ta xác định được nồng độ xanh metylen sau khi bị phân hủy.
Hiệu suất phân hủy quang được tính bằng cách so sánh giữa nồng độ trước (Co) và sau khi phân hủy (C) thông qua biểu thức:
o 0
C C
H(%) x100
C
* Đường chuẩn được sử dụng để xác định nồng độ xanh metylen trong dung dịch nước theo phương pháp đo quang được xây dựng như sau:
30
Tiến hành pha các dung dịch xanh metylen có nồng độ chính xác nằm trong khoảng 0,02÷10,5 mg/l. Đo độ hấp thụ quang (Abs) của các dung dịch xanh metylen tại λmax = 663nm. Giá trị độ hấp thụ quang đo được của các dung dịch có nồng độ xanh metylen khác nhau được đưa ra ở bảng 2.1:
Bảng 2.1. Nồng độ của dung dịch xanh metylen và độ hấp thụ quang Cxanh metylen
(mg/l) 0,02 0,10 0,50 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 10,50 Abs 0,017 0,036 0,170 0,366 0,750 1,190 1,480 1,980 2,00
y = 0,19x + 0,0196 R² = 0,9974
0 0,5 1 1,5 2 2,5
0 5 10
Độ hấp thụ quang (Abs)
Nồng độ MB, mg/l
Hình 2.3. Đồ thị và phương trình đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ quang Abs và nồng độ xanh metylen.
Từ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Abs vào nồng độ xanh metylen trong hình 2.3 có thể thấy, vùng tuyến tính nằm trong khoảng nồng độ xanh metylen là 0,10 đến 10,00 mg/L với phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của Abs vào nồng độ xanh metylen là: y = 0,19x + 0,019.
2.3.2. Phương pháp phân tích nhiệt
Trong luận văn này, giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu sản phẩm được ghi ở khoa hóa trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, trên máy Labsys TG/DSC SETARAM (Pháp) từ 25 ÷ 800oC, tốc độ nâng nhiệt 5 ÷ 10oC/phút trong không khí.
Dựa vào các hiệu ứng thể hiện trên các đường TG, DTG, DSA có thể quy gán cho các quá trình hóa học (phân hủy, kết hợp, cháy, ...) và hóa lý (chuyển pha, kết tinh, ...) có thể xảy ra trong mẫu sản phẩm hoặc sản phẩm trung gian trong quá trình điều chế.
31
2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Trong bản luận văn này, giản đồ XRD của các mẫu bột được ghi trên nhiễu xạ kế tia X D8 Advance Brucker (Đức) tại khoa Hóa trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội với tia phát xạ CuKα có bước sóng λ = 0,154056 nm, công suất 40 KV, 40 mA, ghi ở nhiệt độ 25oC, góc quét 2 từ 10o - 70o và tốc độ quét 0,03o/s.
Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp trực tiếp những thông tin về cấu trúc tinh thể, thành phần pha và cho phép tính được kích thước trung bình của các hạt tinh thể sơ cấp TiO2 theo công thức Sherrer [6].
- Dựa vào giá trị bán chiều rộng của pik đặc trưng trên giản đồ nhiễu xạ người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt tinh thể (hạt sơ cấp) theo công thức Scherrer. Đối với vật liệu TiO2, trên giản đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện pik đặc trưng của pha anata và rutin lần lượt ở góc Bragg là 12,68o và 13,73o. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Scherrer:
r 0.89 cos
Trong đó : r là kích thước hạt trung bình (nm).
là bước sóng của tia X, là độ rộng (FWHM) của pik tại nửa độ cao của pick cực đại (radian), là góc nhiễu xạ Bragg ứng với peaek cực đại (độ).
- Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta cũng có thể tính được thành phần của các pha anata và rutin trong mẫu TiO2 theo phương trình (2.2) :
R A
I 8I . 0 1
1
A
R
I X I
26 . 1 1
1
Trong đó: là hàm lượng rutin (%). X là hàm lượng anata (%). IA là cường độ nhiễu xạ của anata ứng với mặt phản xạ (101). IR là cường độ nhiễu xạ của rutin ứng với mặt phản xạ (110).
32
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM
Trong luận văn này, ảnh TEM của sản phẩm được ghi trên kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 ở Viện Dịch tễ trung ương. Hệ số phóng đại M = 600.000, độ phân giải δ = 3Å, điện áp gia tốc U = 40 ÷ 100 kV. Việc phân tích các ảnh hiển vi điện tử thu được có thể cho các thông tin về kích thước, hình dạng, sự phân bố của các hạt tinh thể của mẫu sản phẩm.
2.3.5. Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDS)
Trong luận văn này, sự có mặt của W trong sản phẩm TiO2 pha tạp được xác định trên phổ EDS được ghi trên máy Oxford 300 (Anh) tại khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và viện Khoa học Vật liệu.
Thành phần nguyên tố và hàm lượng của chúng trong mẫu được xác định dựa trên các pik đặc trưng trong phổ ghi được và số liệu được cung cấp trong các bảng đi kèm.
2.3.6. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET)
Để xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu, người ta sử dụng phương trình BET. Phương trình BET có dạng như sau:
0
1 1
( ) m m ( )o
P C P
V P P V C V C P
Trong đó, P là áp suất cân bằng, Po là áp suất hơi bão hòa của chất hấp phụ ở nhiệt độ thực nghiệm, Vm là thể tích khí bị hấp phụ đơn lớp bão hòa 1 gam chất hấp phụ, V là thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất P và C là hằng số BET.
Lượng khí bị hấp phụ được biểu diễn thông qua thể tích V là đại lượng đặc trưng cho số phân tử bị hấp phụ, nó phụ thuộc vào áp suất cân bằng P, nhiệt độ, bản chất của khí và bản chất của vật liệu rắn. V là một hàm đồng biến với áp suất cân bằng. Khi áp suất tăng đến áp suất hơi bão hòa của chất khí bị
33
hấp phụ tại một nhiệt độ đã cho thì mối quan hệ giữa V-P được gọi là đẳng nhiệt hấp phụ. Khi đã đạt đến áp xuất hơi bão hòa Po, người ta đo các giá trị thể khí bị hấp phụ ở áp suất tương đối (P/Po) giảm dần và nhận được đường “đẳng nhiệt hấp phụ”. Xuất phát từ phương trình (2.5) nếu dựng đồ thị phụ thuộc P/V(Po-P) vào P/Po thì từ đó có thể xác định được diện tích bề mặt của vật liệu.
Trong luận văn này, diện tích bề mặt của các mẫu được đo trên thiết bị Micromeritics (Hoa Kỳ) tại phòng Hóa dầu - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
34