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 đƣợc trong quá trình điều chế bột Ag-TiO2 kích thước nano, chúng tôi đã tiến hành điều chế gel, sấy khô gel ở nhiệt độ 95oC trong 24h và sau đó ghi giản đồ phân tích nhiệt nhằm xác định tính chất nhiệt của mẫu gel sau khi đã đƣợc sấy khô đó.
Quá trình điều chế mẫu gel khô - tiền chất để điều chế bột titan đioxit pha tạp bạc - đƣợc tiến hành nhƣ đã nêu trong mục 2.2.2. Trong thí nghiệm này, các điều kiện cố định sau: Thời gian nung: 1.5h; Tỉ lệ % mol Ag/TiO2: 5%;
Nồng độ mol của AgNO3: 0,3M; Tỉ lệ thể tích TBOT/IPA: 1:4
Để xác định nhiệt độ nung thích hợp đối với gel khô thu đƣợc trong quá trình điều chế bột Ag-TiO2 kích thước nano, chúng tôi tiến hành ghi giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel khô đƣợc điều chế với các điều kiện cố định trên.
Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel khô đƣợc đƣa ra trong hình 3.1:
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel khô
Peak: 103,98 0 C
Furnace temperature /°C
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
TG/%
-23 -18 -13 -8 -3 2 7 12 17 22 27
HeatFlow/à V
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Peak :145.35 °C
Peak :250.78 °C
Peak :408.31 °C
Mass variation: -13.05 %
Mass variation: -5.60 %
Mass variation: -5.54 % Figure:
20/01/2015 Mass (mg): 33.78
Crucible:PT 100 àl Atmosphere:Air Experiment:Mau Ag-T iO2
Procedure:RT ----> 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG
Exo
38
Từ giản đồ phân tích nhiệt trong hình 3.1 có thể thấy:
- Tại 104oC: trên đường DSC xảy ra hiệu ứng thu nhiệt tương ứng với quá trình mất khối lượng trên đường TG. Theo chúng tôi, hiệu ứng này được qui gán cho quá trình mất nước.
- Tại 145oC, 251oC, 408oC: 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 có mặt trong mẫu (nhƣ ancol isopropyl - dung môi và ancol butylic - sản phẩm của phản ứng thủy phân TBOT).
- Ở nhiệt độ 500oC đường TG gần như nằm ngang chứng tỏ thì các mẫu đã tương đối ổn định khối lượng và thành phần, đồng thời trên đường DSC cũng không còn thể hiện rõ các hiệu ứng nhiệt.
Từ tính chất nhiệt của mẫu gel khô thu đƣợc ở trên, chúng tôi lựa chọn khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh metylen trong dung dịch nước của bột Ag-TiO2 ở các nhiệt độ 450oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC, 700oC.
Các mẫu sau khi nung đƣợc ghi giản đồ XRD để xác định thành phần pha, kích thước hạt trung bình, mức độ kết tinh. Kết quả được đưa ra trong hình 3.2 và bảng 3.1.
File: Lien K23 mau 700(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 19.990 ° - End: 69.910 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 19.990 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
File: Lien K23 mau 650(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.015 ° - End: 69.935 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.015 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
File: Lien K23 mau 600(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 69.860 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
File: Lien K23 mau 550(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 19.992 ° - End: 69.822 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 19.992 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
File: Lien K23 mau 500(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.010 ° - End: 69.810 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.010 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
File: Lien K23 mau 450(2).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.005 ° - End: 69.835 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.005 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
Lin (Cps)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
2-Theta - Scale
21 30 40 50 60
Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu đã được nung ở các nhiệt độ 1-450oC, 2-500oC, 3-550oC, 4-600oC, 5-650oC, 6-700oC
6 5 4 3 2 1
39
Bảng 3.1. Thành phần pha và r (nm) của các mẫu Ag-TiO2 được nung ở các nhiệt độ khác nhau
Mẫu Nhiệt độ nung (độ C)
Thành phần pha (%) r (nm) Anata Rutin
450 450 100 - 10,4
500 500 100 - 10,9
550 550 88,34 11,66 19,7
600 600 90,34 9,66 22,5
650 650 20,93 79,07 29,9
700 700 - 100 106,6
Từ kết quả đƣợc đƣa ra trong hình 3.2 và bảng 3.1 trên có thể thấy:
- Các mẫu đã nung ở nhiệt độ < 500oC có độ kết tinh chƣa cao. Khi nhiệt độ nung tăng, mức độ kết tinh tăng lên (đường nền của giản đồ XRD thấp dần, pic đặc trƣng ngày càng rõ rệt hơn).
- Kích thước hạt trung bình là khá nhỏ và tăng dần. Điều này có thể do khi tăng nhiệt độ nung thì mức độ phát triển của các hạt tinh thể trong mẫu sản phẩm tăng lên, làm tăng kích thước hạt trung bình.
- Các mẫu đƣợc nung ở nhiệt độ từ 450 đến 600oC có pha chính là anata.
Khi nhiệt độ nung tăng lên 650oC thì pha chính là rutin, tại 700oC mẫu đơn pha rutin Theo các tài liệu tham khảo, nhiệt độ chuyển pha anata sang rutin là 500oC khi nung kết tủa TiO2.nH2O. Ở đây, nhiệt độ chuyển pha đã đƣợc tăng lên, điều này có thể cho kết luận sơ bộ rằng sự có mặt của bạc đã góp phần làm tăng nhiệt độ chuyển pha của mẫu sản phẩm.
Hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm đƣợc đánh giá thông qua khả năng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước dưới bức xạ đèn compact (0,15 g Ag-TiO2/200 ml MB 10 mg/l, thời gian chiếu sáng là 2h).
40
Kết quả xác định hiệu suất phân hủy xanh metylen của các mẫu đƣợc đƣa ra trong bảng 3.2 và biểu diễn trên đồ thị ở hình 3.3.
Bảng 3.2. Hiệu suất phân hủy MB trong dung dịch nước của các mẫu được nung ở các nhiệt độ khác nhau
Mẫu Nhiệt độ nung (độ C) Hiệu suất QXT (%)
450 450 82,43
500 500 87,04
550 550 95,85
600 600 90,68
650 650 78,56
700 700 62,21
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới hiệu suất phân hủy MB
Từ đồ thị trên cho thấy khi tăng nhiệt độ nung từ 450oC đến 700oC, hiệu suất quang phân hủy MB tăng dần và đạt cực đại tại 550oC (95,85%) sau đó
41
giảm dần. Điều này có thể dƣợc giải thích nhƣ sau: Ở nhiệt độ nung <550oC, quá trình hình thành pha tinh thể chƣa tốt, thể hiện ở mức độ kết tinh chƣa cao (đường nền của giản đồ XRD cao và các peak trên giản đồ chưa sắc nét) nên khả năng quang xúc tác của sản phẩm chƣa cao. Khi nhiệt độ nung >550oC, mức độ kết tinh cao (đường nền của giản đồ XRD thấp và các peak trên giản đồ sắc nét, đặc trưng cho các pha tinh thể), tuy nhiên kích thước hạt tinh thể lại tăng lên theo nhiệt độ nung, là giảm hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm.
Từ kết quả khảo sát trên, chúng tôi lựa chọn nhiệt độ nung thích hợp để điều chế mẫu bột Ag-TiO2 là 550oC.Có thể thấy rằng, 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 pha rutin, kích thước hạt trung bình nhỏ (~20 nm), hiệu suất quang phân hủy MB trong dung dịch nước dưới bức xạ đèn compact cao.