Tổng hợp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  NGUYỄN THỊ THANH MAI TỔNG HỢP NGH IÊN CỨU ĐẶC TRƯN G CẤU TRÚC V À HOẠT T ÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA V ẬT L IỆ U NA NO TiO2 B IẾN T ÍNH B ẰNG Ag2O, CoO, La2O3 Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.0113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Luận văn này được hòan thành tại phòng thí nghiệm bộ môn Hóa học vô cơ - Khoa Hóa – Trường ĐHSP – ĐH Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan các số liệu trong luận văn là trung thực, chưa từng công bố trong bất cứ công trình và tài liệu nào. Thái Nguyên, ngày16.tháng 04 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Trưởng khoa Hóa học Học viên cao học TS. Bùi Đức Nguyên PGS TS.

Nguyễn Thị Hiền Lan Nguyễn Thị Thanh Mai LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành tại phòng thí nghiệm bộ môn hóa học vô cơ – Khoa Hóa học - Trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Đức Nguyên đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Hóa – Trường ĐHSP -Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện, giúp đỡ và cho em những ý kiến đóng góp quý báu.

Tôi xin gửi lời cảm ơn trường phổ thông Vùng Cao Việt Bắc, bạn bè đồng nghiệp và người thân trong gia đình đã tao điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tâp và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các anh chị, các bạn học viên, gia đình, người thân đã động viên giúp đỡ về cả vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Thái Nguyên, ngày16 tháng 04 năm 2014 Nguyễn Thị Thanh Mai MỤC LỤC MỞ ĐẦU. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.

VẬT LIỆU NANO TiO2. Giới thiệu về vật liệu titan đioxit. Cấu trúc của vật liệu nano TiO2. Tính chất điện tử.

Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2. VẬT LIỆU NANO TiO2 BIẾN TÍNH. Pha tạp TiO2 với nguyên tố kim loại hoặc phi kim. Kết hợp TiO2 với một chất bán dẫn khác.

ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2. Xúc tác quang xử lý môi trường. Chế tạo các loại sơn quang xúc tác. Xử lý ion kim loại độc hại ô nhiễm nguồn nước.

Điều chế hiđro từ phân hủy nước. GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT QUANG XÚC TÁC. Ảnh hưởng pH.

Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác sử dụng trong phản ứng. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của chất hữu cơ. Ảnh hưởng của các ion lạ có trong dung dịch. Ảnh hưởng của nhiệt độ.

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU TRONG KHÓA LUẬN. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis. Nhiễu xạ tia X (XRD). Hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS). 23 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Mục tiêu nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ. Dụng cụ và thiết bị. CHẾ TẠO VẬT LIỆU.

Tổng hợp vật liệu nano TiO2 biến tính CoO. Tổng hợp vật liệu nano TiO2 biến tính La2O3. Tổng hợp vật liệu nano TiO2 biến tính Ag2O. CÁC KỸ THUẬT ĐO KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU.

Nhiễu xạ tia X. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS). Phổ tán xạ tia X (EDX).

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY HỢP CHẤT RHODAMINE B CỦA CÁC VẬT LIỆU. Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của các vật liệu. Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng (%) Ag2O, CoO, La2O3 trong các vật liệu đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu.

Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu theo thời gian. Hiệu suất quang xúc tác. 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. THÀNH PHẦN, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU.

Kết quả nhiễu xạ tia X(XRD). Kết quả chụp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Kết quả chụp TEM. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS).

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA CÁC VẬT LIỆU. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của các vật liệu. Khảo sát ảnh hưởng của phần trăm Ag2O, CoO, La2O3 biến tính đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB theo thời gian của vật liệu 1%Ag2O/TiO2.

Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất quang xúc tác của các vật liệu. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB theo thời gian của vật liệu 1%Ag2O/TiO2, 0,5%CoO/TiO2, 0,5%La2O3/TiO2 tại giá trị pH tối ưu. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1 Phụ lục 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2.

1 Phụ lục 2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu La2O3/TiO2. 1 Phụ lục 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Ag2O/TiO2. 2 Phụ lục 4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CoO/TiO2. 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ gốc Tiếng Việt 1 VB Vanlence Band Vùng hóa trị 2 CB Conduction Band Vùng dẫn Transsmision Electronic 3 TEM Microscopy Hiển vi điện tử truyền qua 4 RhB Rhodamine B Thuốc nhuộm 5 XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase.

Các các hợp chất hữu cơ thường được sử dụng nghiên cứu trong phản ứng quang xúc tác của TiO2. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ độc hại [18]. Thể tích dung dịch Co(NO3)2 0,01M được lấy tương ứng với % khối lượng của CoO (x) trong vật liệu x%CoO/TiO2. Thể tích dung dịch La(NO3)3 0,01M được lấy tương ứng với % khối lượng của La2O3 (x) trong vật liệu x%La2O3/TiO2.

Thể tích dung dịch Ag(NO3)3 0,01M được lấy tương ứng với % khối lượng của Ag2O (x) trong vật liệu x%Ag2O/TiO2.27 v DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Các dạng thù hình khác nhau của TiO2 rutile, (B) anatase, (C) brookite. Khối bát diện của TiO2. Giản đồ MO của anatase: (a)-Các mức AO của Ti và O; (b)-Các mức tách trong trường tinh thể; (c)- Trạng thái tương tác cuối cùng trong anatase.

Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu xạ với bước sóng thích hợp. Giản đồ thế oxi hóa khử của các cặp chất trên bề mặt TiO2. Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile. Sự hình thành gốc HO● và O2-.

Cơ chế quang xúc tác TiO2 tách nước cho sản xuất hiđro. Công thức cấu tạo của Rhodamine B. Cường độ tia sáng trong phương pháp UV-Vis. Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt phẳng tinh thể chất rắn.

Sơ đồ mô tả hoạt động nhiễu xạ kế bột. Kính hiển vi điện tử truyền qua. Sơ đồ tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính CoO. Sơ đồ tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính La2O3.

Sơ đồ tổng hợp vật liệu TiO2 biến tính Ag2O. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu. Phổ EDX của mẫu TiO2-TM. Phổ EDX của mẫu 1%Ag2O/TiO2.

Phổ EDX của mẫu 0,5%CoO-TiO2. Phổ EDX của mẫu 0,5%La2O3/TiO2. Ảnh TEM của vật liệu (a) TiO2-TM; (b) 1%Ag2O/TiO2; (b) 0,5%CoO/TiO2; (b) 0,5%La2O3/TiO2. Phổ DRS của TiO2 và x%Ag2O/TiO2.

Phổ DRS của TiO2 và x%CoO/TiO2. Phổ DRS của TiO2 và x%La2O3/TiO2. Phổ hấp phụ phân tử RhB của vật liệu 1%Ag2O/TiO2 sau những khoảng thời gian khác nhau. Phổ hấp phụ phân tử RhB của vật liệu 0,5%CoO/TiO2 sau những khoảng thời gian khác nhau.

Phổ hấp phụ phân tử Rh B của vật liệu 0,5%La2O3/TiO2 sau những khoảng thời gian khác nhau. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch Rh B sau xử lý bằng các mẫu x%Ag2O/TiO2 (điều kiện thí nghiệm 20 mg chất xúc tác, 20 mL dung dịch RhB, chiếu sáng bằng đèn UV-11W, thời gian chiếu sáng 30 phút, pH=7). Hiệu suất quang xúc tác (H%) phân hủy Rhodamine B của các vật liệu x%Ag2O/TiO2. Sơ đồ mô tả cơ chế quang xúc tác của hệ Ag2O/TiO2.

Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch Rh B sau xử lý bằng các mẫu x%CoO/TiO2 (điều kiện thí nghiệm: 20 mg chất xúc tác, 20 mL dung dịch RhB, thời gian chiếu sáng 30 phút bằng đèn UV-11W, pH=7). Hiệu suất quang xúc tác (H %) phân hủy Rhodamine B (pH= 7) của vật liệu x%CoO/TiO2 (x =0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 và 1,5). Sơ đồ mô tả cơ chế quang xúc tác của hệ CoO/TiO2. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch RhB sau xử lý bằng các mẫu x%La2O3/TiO2 (điều kiện thí nghiệm: 20 mg chất xúc tác, 20 mL dung dịch RhB, thời gian chiếu sáng 30 phút, pH=7).

Hiệu suất quang xúc tác (H %) phân hủy Rhodamine B của các vật liệu x%La2O3/TiO2 (x = 0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 và 1,5)(pH= 7). Sơ đồ mô tả cơ chế quang xúc tác của hệ La2O3/TiO2. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB (pH=7) của các vật liệu .49 A) TiO2-TM; B) 1%Ag2O/TiO2; C) 0,5%CoO/TiO2; D) 0,5%La2O3/TiO2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB (pH=7) của mẫu 1%Ag2O/TiO2 (điều kiện thí nghiệm: 100 mg chất xúc tác, 100 mL dung dịch Rh B).

Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rh B (pH = 7) theo thời gian của vật liệu 1%Ag2O/TiO2. Sự ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của 1%Ag2O/TiO2. Sự ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy Rh B của 1%Ag2O/TiO2. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của 0,5%CoO/TiO2.

Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của 0,5%CoO/TiO2. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của 0,5%La2O3/TiO2. Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính quang xúc tác của 0,5%La2O3/TiO2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B của vật liệu 1%Ag2O/TiO2 tại giá trị pH=3 (điều kiện thí nghiệm:100 mg chất xúc tác, 100ml Rh B, pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HNO3 1M).

Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B của vật liệu 0,5%CoO/TiO2 tại pH = 3 (điều kiện thí nghiệm:100 mg chất xúc tác, 100ml Rh B, pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HNO3 1M).