Trƣớc khi sử dụng than hoạt tính làm chất mang vật liệu xúc tác TiO2, than hoạt tính đƣợc hoạt hóa trƣớc bằng PSS và HNO3. Quy trình hoạt hóa than hoạt tính và quy trình đƣa vật liệu 8%N-C-TiO2 lên than hoạt tính đƣợc hoạt hóa đã đƣợc trình bày trong mục 2.2.
Hình ảnh phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu 8%N-C-TiO2/AC-P và 8%N-C-TiO2/AC-N (Hình 3.1) đã cho thấy chỉ có một pha TiO2 anatase duy nhất. Các nguyên tố doping là N và C với hàm lƣợng nhỏ không xuất hiện trên phổ XRD và không ảnh hƣởng đến pha chính là TiO2 anatase.
Để kiểm tra việc hoạt hóa than và gắn xúc tác lên than thành công, chúng tôi tiến hành chụp phổ hồng ngoại (IR) đối với các mẫu than (bao gồm mẫu than hoạt tính ban đầu khi chƣa hoạt hóa, mẫu than hoạt tính đã đƣợc hoạt hóa bởi PSS và mẫu than hoạt tính đã đƣợc hoạt hóa bởi HNO3).
Kết quả phổ hồng ngoại (IR) của mẫu than hoạt tính chƣa hoạt hóa và than hoạt tính đã biến tính bằng PSS và HNO3 đƣợc thể hiện trên hình 3.12 cho ta thấy sự khác biệt giữa mẫu than đã đƣợc hoạt hóa bởi PSS (AC-P) và mẫu than ban đầu (AC), đó là ở mẫu AC-P có sự xuất hiện các pic 1069.05cm-1 và 1111.49 cm-1tƣơng ứng với dao động kéo dãn của nhóm S=O, ngoài ra sự xuất hiện đỉnh pic 1400 cm-1
tƣơng ứng với dao động của nhóm -C=C- trong vòng thơm styren. Điều này đã chứng minh sự hiện diện của PSS trên bề mặt AC. Đối với mẫu than biến tính bằng HNO3 (AC-N) cũng có sự khác biệt so với than hoạt tính ban đầu. Đó là sự xuất hiện của các nhóm –C=O, -C-O- trên bề mặt AC và dao động uốn của nhóm –OH tƣơng ứng với các pic 1646.74 cm-1
đã chứng minh rằng AC sau khi ngâm trong dung dịch HNO3 đã xuất hiện thêm nhiều nhóm chức hyđroxylic và nhóm chƣ́c axit trên bề mă ̣t khi đó những nhóm này sẽ liên kết với những nhóm OH-
, H+...ở trên bề mặt của xúc tác và giú p cho xúc tác có thể gắn lên AC-N.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
1/cm
ABS
Hình 3.12. Phổ hồng ngoại (IR) của AC, AC-P và AC-N
400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
1/cm
ABS
Hình 3.13. Phổ hồng ngoại (IR) của vật liệu TiO2; N-C-TiO2; N-C-TiO2/AC-P và N- C-TiO2/AC-N
Trên phổ hồng ngoại của xúc tác gắn trên than (Hình 3.13), ở mẫu N-C- TiO2/AC-N có sự xuất hiện pic 1436 cm-1 tƣơng ứng với sự xuất hiện của nhóm Titan cacboxylat (-COO-Ti) và sự xuất hiện của pic 502.94 cm-1 tƣơng ứng với liên
AC AC-P AC-N TiO2 N-C- TiO2 N-C- TiO2/AC-P N-C- TiO2/AC-N
kết Ti-O-C. Điều này cũng đã chứng minh xúc tác có sự liên kết với AC-N. Ở xúc tác N-C-TiO2/AC-P cũng có sự chuyển pic về số sóng cao hơn từ 1400cm-1 về 1420.58 cm-1 tƣơng ứng với sự gắn kết Ti lên PSS -C6H4-O-Ti. Ngoài ra ta còn thấy sự xuất hiện pic 551.65cm-1
và 505.35 cm-1 tƣơng ứng với liên kết Ti-O và Ti-O-C trong xúc tác. Qua những dấu hiệu của phổ IR đã cho thấy sự thành công trong việc gắn kết xúc tác lên than bằng hai phƣơng pháp HNO3 và PSS.
3.2.1. Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa than
Kết quả chụp ảnh SEM của các vật liệu 8%N-C-TiO2/AC-P và 8%N - C-TiO2/AC-N đƣợc thể hiện trên hình 3.14.
(a)
(b)
Hình 3.14. Ảnh SEM của 8%N-C-TiO2/AC-P (a) và 8%N-C-TiO2/AC-N (b)
Từ kết quả ảnh trên cho thấy xúc tác 8%N-C-TiO2 sau khi gắn lên than vẫn đạt đƣợc kích thƣớc nano, trong đó xúc tác gắn lên AC-P có độ phủ lớn hơn và kích thƣớc hạt nhỏ hơn xúc tác gắn trên AC-N. Điều này có thể đƣợc giải thích do cơ chế khi gắn xúc tác lên hai loại than này là khác nhau. Đối với xúc tác khi gắn trên AC-
P thì AC-P có vai trò nhƣ trung tâm mang điện tích âm và xúc tác mang điện tích dƣơng, vì vậy việc gắn kết này không ảnh hƣởng đến kích hạt nano đƣợc tạo thành ban đầu. Với nồng độ PSS thích hợp sẽ giúp cho điện tích âm bao quanh AC càng lớn do đó xúc sẽ gắn lên AC càng nhiều hơn. Đối với AC đƣợc biến tính bằng HNO3 giúp AC có thêm nhiều nhóm hyđroxylic và nhóm chƣ́c axit trên bề mă ̣t khi đó những nhóm này sẽ liên kết với những nhóm OH-
, H+... ở trên bề mặt của xúc tác và giúp cho xúc tác có thể gắn lên AC -N. Vì vậy đối với phƣơng pháp gắn kết lên AC-N độ phủ xúc tác sẽ ít hơn và khi hình thành liên kết với than kích thƣớc hạt có thể sẽ tăng lên.
Điều này là hoàn toàn phù hợp với kết quả thu đƣợc khi tiến hành thử hoạt tính đối với hai mẫu vật liệu 8%N-C-TiO2/AC-P và 8%N-C-TiO2/AC-N. Kết quả thu đƣợc cho thấy xúc tác 8%N-C-TiO2/AC-P có khả năng phân hủy RhB tốt hơn so với xúc tác 8%N-C-TiO2/AC-N, xem bảng 3.5. và hình 3.15.
Bảng3.5. Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa than tới hiệu suất xử lý RhB
Thời gian thử (phút)
Hiệu suất xử lí RhB (%) của các mẫu
8%N-C-TiO2/AC-P 8%N-C-TiO2/AC-N
30 28 15 60 55 24 90 79 40 120 80 47 150 92 66 180 98 78 210 98 81 240 99 81 270 100 92
Hình 3.15. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa than