CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3.1. Phổ tử ngoại – khả kiến (UV – vis rắn)
Bảng 3.4.1 Trình bày cỏc kớ hiệu của các mẫu vật liệu theo phương pháp xử lý nhiệt.
Bảng 3.3.1-1: Các ký hiệu mẫu vật liệu theo phương pháp xử lý nhiệt.
Tên mẫu vật liệu Ký hiệu
TiO2 thương mại (HQ) N0
TiO2 biến tính N trong thời gian 3 giờ, nhiệt độ 600oC N3 TiO2 biến tính N trong thời gian 4 giờ, nhiệt độ 600oC N4 TiO2 biến tính N trong thời gian 5 giờ, nhiệt độ 600oC N5 TiO2 biến tính N trong thời gian 6 giờ, nhiệt độ 600oC N6 TiO2 biến tính N trong thời gian 4 giờ, nhiệt độ 500oC N4-500 TiO2 biến tính N trong thời gian 4 giờ, nhiệt độ 550oC N4-550 TiO2 biến tính N trong thời gian 4giờ, nhiệt độ 600oC N4-600 TiO2 biến tính N trong thời gian 4 giờ, nhiệt độ 650oC N4-650
Màu sắc của các mẫu xúc tác sau khi tổng hợp được trình bày ở bảng 3.4.1-2.
nghiệp
Bảng 3.3.1-2: Màu sắc của các mẫu xúc tác sau khi tổng hợp.
Mẫu xúc tác Phương pháp tổng hợp Màu sắc
N0 Xử lý nhiệt Bột màu trắng N3 Xử lý nhiệt Bột màu vàng nhạt N4 Xử lý nhiệt Bột màu vàng N5 Xử lý nhiệt Bột màu vàng N6 Xử lý nhiệt Bột màu vàng N4-500 Xử lý nhiệt Bột màu vàng nhạt N4-550 Xử lý nhiệt Bột màu vàng N4-600 Xử lý nhiệt Bột màu vàng N4-650 Xử lý nhiệt Bột màu vàng
Sự biến đổi màu sắc từ màu trắng của vật liệu N0 sang màu vàng nhạt và vàng đối với các mẫu vật liệu biến tính đã chứng minh sự có mặt của nguyên tố Nitơ trong mạng tinh thể TiO2. Điều này chứng minh được việc tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính Nitơ theo phương pháp xử lý nhiệt đã thành công. Phổ UV – vis rắn của các mẫu TiO2 đã biến tính theo thời gian gia nhiệt khác nhau, nhiệt độ 600oC, kết quả được thể hiện ở hình 3.4.1-1.
Hình 3.3.1-1: Phổ UV-VIS rắn của các mẫu TiO2 biến tính nitơ theo thời gian
nghiệp
Tiến hành khảo sát phản ứng ở nhiệt độ 600oC điều này dựa trên giả thuyết có cân bằng:
NH3 ↔ [N] + 3[H]
Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ khoảng 600oC sự phân hủy NH3 tạo thành [N] xảy ra hoàn toàn nên việc đưa nitơ vào TiO2 là có khả năng thực hiện do tạo thành liên kết Ti-N trong mạng tinh thể của TiO2.
Qua phổ trên có thể nhận thấy tất cả các mẫu vật liệu biến tính Nitơ theo thời gian gia nhiệt khác nhau ở nhiệt độ 600oC đều có khả năng hoạt động tốt hơn ở vùng ánh sáng nhìn thấy so với No trong đó mẫu N4 có khả năng hoạt động tốt nhất so với các mẫu vật liệu còn lại. Pic hấp thụ cực đại của TiO2 ở khoảng 365nm cho thấy hầu hết các mẫu biến tính cũng đều hấp thụ mạnh hơn so với mẫu không biến tính và hấp thụ lên tới gần 90% và ở 400nm thì độ hấp thụ của TiO2 chỉ còn 10% trong khi đó các mẫu biến tính còn đến hơn 30%. Điều này có thể giải thích quá trình tổng hợp xúc tác thì một phần N tạo thành liên kết Ti-N làm giảm năng lượng vùng cấm (Eg) của TiO2, do vậy các mẫu xúc tác tổng hợp được đều có khả năng hấp thụ bước sóng dài (gần 460nm) so với mẫu TiO2 (390nm). Như vậy các mẫu xúc tác tổng hợp được có hoạt tính quang xúc tác tốt vì có khả năng hấp thụ trong vùng bước sóng từ 200-460nm so với mẫu xúc tác TiO2 (HQ) chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng từ 200-390nm điều này sẽ dẫn đến vật liệu có hoạt tính quang xúc tác hơn vật liệu không biến tính.
Tiến hành khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau với thời gian gia nhiệt là 4h kết quả đo được trên phổ UV-vis rắn được biểu diễn ở hình 3.3.1-2.
nghiệp
Hình 3.3.1-2: Phổ UV-VIS rắn của các mẫu TiO2 biến tính nitơ theo nhiệt độ
Qua phổ trên ta có thể nhận thấy tất cả các mẫu vật liệu biến tính Nitơ theo nhiệt độ khác nhau đều có khả năng hoạt động tốt ở vùng ánh sáng nhìn thấy so với N0, ở pic hấp thụ cực đại 360nm của TiO2 cũng nhận thấy các mẫu biến tính theo nhiệt độ khác nhau cũng hấp thụ mạnh hơn với mẫu không biến tính và đến gần 400nm thì khả năng hấp thụ của các mẫu biến tính cũng cao hơn hẳn so với N0, cụ thể là đối với mẫu TiO2 không biến tính độ hấp thụ còn gần 10%, mẫu N4-500 còn 27%, mẫu N4-600 và N4-650 độ hấp thụ còn 35%, N4-550 độ hấp thụ lên tới 50%. Qua phổ ta thấy mẫu N4-550 là có khả năng hoạt động ở vùng ánh sáng nhìn thấy là cao nhất. Xác định bước sóng hấp thụ tới hạn (λmax) và năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu và kết quả trình bày trong bảng 3.3.1-3.
nghiệp
Bảng 3.3.1-3: Bước sóng hấp thụ và năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu xúc tác theo phương pháp xử lý nhiệt.
STT Mẫu vật liệu λmax (nm) Eg
1 N0 390 3,18 2 N3 400 3,1 3 N4 431 3,87 4 N5 431 3,87 5 N6 431 3,87 6 N4-500 400 3,1 7 N4-550 460 2,7 8 N4-600 415 2,98 9 N4-650 415 2,98
Kết quả cho thấy các mẫu TiO2 biến tính theo thời gian khác nhau và nhiệt độ khác nhau đều có cường độ bức xạ, bước sóng hấp thụ tới hạn (λmax) lớn hơn so với mẫu N0. Các mẫu biến tính có khả năng hấp thụ trong vùng bước sóng từ 200-460 nm trong khi đó mẫu N0 chỉ có khả năng hấp thụ trong vùng bước sóng từ 200-390 nm. Điều này tương ứng với sự giảm năng lượng vùng cấm từ 3,18 eV xuống chỉ còn 2,7 eV, có thể giải thích điều này như sau: khi bổ sung nitơ vào TiO2 có một phần Nitơ đi vào liờn kột với Ti thay thế cho oxy, khi đó ở vùng hóa trị sẽ có sự tồn tại đồng thời của các orbitan 2p và orbitan 2p của Nitơ. Hai orbitan này có hai mức năng lượng khác nhau và mức năng lượng của orbitan 2p của Nitơ cao hơn so với orbitan 2p của Oxy. Chính vì vậy, năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu cũng đó cú sự hình thành hai mức khác nhau, dẫn sự hình thành hai bước chuyển về độ hấp thụ ánh sáng. Đồng thời, do mức năng lượng của orbitan 2p của Nitơ cao hơn so với Oxy nên khi có mặt Nitơ trong hợp chất đã làm cho năng lượng vùng cấm thu hẹp lại. Khi biến tính Nitơ vào các mẫu vật liệu TiO2 sẽ làm giảm năng lượng để chuyển electron từ vùng hóa trị lờn vựng dẫn và dẫn đến hiện tượng pic hấp thụ cực đại chuyển dịch sang vùng ánh sáng nhìn thấy.