Luận văn Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột Titan Đioxit kích thước Nano được biến tính Neođim

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột Titan Đioxit kích thước Nano được biến tính Neođim

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN KHANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH NEOĐIM Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGÔ SỸ LƯƠNG Hà nội, năm 2011 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN KHANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH NEOĐIM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà nội, năm 201 2
3. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Mục Lục Nội dung Trang MỞĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu TiO2 kích thước nano 3 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật lý của TiO2 kích thước nano 3 1.1.2. Một số tính chất quan trọng của vật liệu TiO2 kích thước nano 5 1.1.3. Các ứng dụng của TiO2 kích thước nano mét 9 1.2. Giới thiệu chung về vật liệu TiO2 kích thước nano biến tính 12 1.2.1. Phân loại quang xúc tác trên cơ sở TiO2 kích thước nano 12 1.2.2. Sự biến tính của vật liệu TiO2 kích thước nano mét 12 1.2.3. Vật liệu TiO2 nano biến tính bằng neođim 14 1.2.4 Các phương pháp điều chế bột TiO2 kích thước nanomet 15 Chương 2: THỰC NGHIỆM 19 2.1. Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của luận văn 19 2.1.1. Mục tiêu của luận văn 19 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn 19 2.2. Phương pháp nghiên cứu 19 2.3. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị 20 2.3.1. Hóa chất 20 2.3.2. Dụng cụ và thiết bị 20 2.3.3. Pha mẫu 20 3+ 2.4. Điều chế bột TiO2 biến tính Nd bằng phương pháp sol-gel 21 3+ 2.5. Điều chế bột TiO2 biến tính Nd bằng phương pháp thủy phân 22 2.6. Phương pháp khảo sát khả năng phân hủy quang xanh metylen trong dung dịch nước của bột TiO2 biến tính 24 2.7. Các phương pháp hóa lý dùng để nghiên cứu cấu trúc và đặc tính của bột Nd-TiO2 biến tính 26 1
4. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học 2.7.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 26 2.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 2.7.3. Phương pháp phân tích nhiệt 28 2.7.4. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) 29 2.7.5. Phương pháp BET 30 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Điều chế Nd-TiO2 bằng phương pháp sol-gel 31 3.1.1. Khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của gel khô bằng phương pháp phân tích nhiệt 31 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian làm già gel 32 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy 34 3.1.4. Ảnh hưởng nhiệt độ nung 37 3.1.5. Ảnh hưởng tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 40 3.2. Điều chế Nd-TiO2 bằng phương pháp thủy phân 46 3.2.1. Khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của mẫu TiO2 và Nd-TiO2 46 3.2.2. Ảnh hưởng của lượng urê 47 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân 49 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 52 3.2.5. Ảnh hưởng tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 55 Kết luận 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 71 2
5. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU I. Danh mục các hình Trang Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 3 Hình 1.2. Hình khối bát diện của TiO2 3 Hình1.3. Cơ chế của quá trình quang xúc tác của vật liệu TiO2 khi được chiếu sáng 6 Hình 1.4. Các góc tiếp xúc của chất lỏng và bề mặt thấm ướt 8 Hình 1.5. Nguyên tắc của sự phân chia nước sử dụng chất quang xúc tác TiO2 11 Hình 2.1. sơ đồ mô tả quá trình thực nghiệm điều chế bột TiO2 biến tính neođim bằng phương pháp sol-gel 21 Hình 2.2. sơ đồ mô tả quá trình thực nghiệm điều chế bột TiO2 biến tính Nd bằng phương pháp thủy phân 23 Hình 2.3. Quang phổ của đèn Compact Goldstar 24 Hình 2.4. Đường chuẩn dung dịch xanh metylen 25 Hình 2.5. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể 26 Hình 2.6. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance 5005 (CHLB Đức). 27 Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TiO2 không biến tính 31 Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 là 0,025% (mol/mol) 31 Hình 3.3. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel 32 Hình 3.4. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và thời gian làm già gel 34 Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 theo có nhiệt độ sấy gel khác nhau 35 Hình 3.6. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và 3
6. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học nhiệt độ sấy gel 37 Hình 3.7. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 với nhiệt độ nung khác nhau 38 Hình 3.8. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và nhiệt độ nung 39 Hình 3.9. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ pha tạp khác nhau. 40 Hình 3.10. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và tỷ lệ Nd/TiO2 42 Hình 3.11. Phổ EDX mẫu TiO2 không biến tính 43 Hình 3.12. Phổ EDX mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ % Nd/TiO2 = 0,025% 43 Hình 3.13. Ảnh TEM của mẫu TiO2 không biến tính 44 Hình 3.14. Ảnh TEM của mẫu TiO2 có biến tính Nd ở tỷ lệ 0,025% (mol/mol) 44 Hình 3.15. Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính Neođim bằng phương pháp sol-gel 45 Hình 3.16. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TiO2 không biến tính 46 Hình 3.17. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TiO2 biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 là 0,025% (mol/mol) 46 Hình 3.18. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 với lượng urê khác nhau 47 Hình 3.19. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và lượng urê 49 Hình 3.20. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác nhau 50 Hình 3.21. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và 52 thời gian thủy phân Hình 3.22. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác nhau 53 4
7. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.23. Đồ thị mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và nhiệt độ nung 55 Hình 3.24. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-TiO2 với các tỷ lệ Nd/TiO2 khác nhau 56 Hình 3.25. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất phân hủy quang và tỷ lệ % Nd/TiO2 (mol/mol) 58 Hình 3.26. Phổ EDX của mẫu không biến tính 58 Hình 3.27. Phổ EDX của mẫu biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 là 0,025% (mol/mol) 58 Hình 3.28. Ảnh TEM của mẫu không biến tính 59 Hình 3.29. Ảnh TEM của mẫu biến tính với tỷ lệ Nd/TiO2 là 0,025% (mol/mol) 59 Hình 3.30. Giản đồ BET của mẫu TiO2 không biến tính 60 Hình 3.31. Giản đồ BET của mẫu Nd-TiO2 60 Hình 3.32. Quy trình thực nghiệm điều chế điều chế bột TiO2 biến tính Neođim bằng phương pháp thủy phân 61 II. Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase 4 Bảng 2.1. Nồng độ xanh metylen và độ hấp thụ 25 Bảng 3.1. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel khác nhau 33 Bảng 3.2. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 theo thời gian làm già gel khác nhau. 33 Bảng 3.3. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ sấy gel khác nhau 35 Bảng 3.4. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ sấy gel khác nhau. 36 Bảng 3.5. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác nhau 38 5
8. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học Bảng 3.6. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác nhau 39 Bảng 3.7. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 tỷ lệ pha tạp khác nhau 41 Bảng 3.8. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác nhau 42 Bảng 3.9. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 với lượng urê khác nhau 48 Bảng 3.10. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có lượng urê khác nhau 48 Bảng 3.11. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác nhau 50 Bảng 3.12 Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có thời gian thủy phân khác nhau 51 Bảng 3.13. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 theo nhiệt độ nung 54 Bảng 3.14. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có nhiệt độ nung khác nhau 54 Bảng 3.15. Kích thước hạt trung bình và thành phần pha của các mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ Nd/TiO2 khác nhau 56 Bảng 3.16. Giá trị mật độ quang và hiệu suất phân hủy quang của các mẫu Nd-TiO2 có tỷ lệ Nd/TiO2 khác nhau 57 6
9. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ABS: Độ hấp thụ BET: Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng DTA: Phương pháp nhiệt vi sai EDX: Phổ tán xạ năng lượng tia X Nd-TiO2: Titan đioxit biến tính neođim TEM: Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TGA: Phương pháp nhiệt trọng lượng UV-Vis: Phương pháp phổ khuếch tán phản xạ XM : Xanh metylen XRD: Phương pháp nhiễu xạ tia X Ti(OBu)4: Tetra-n-butyl orthotitanate TiOSO4: Titanium(IV) oxysulfate hydrate 7
10. Nguyễn Văn Khanh Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Mặt trời cung cấp cho bề mặt trái đất một lượng năng lượng khổng lồ vào khoảng 3.1024 J/năm. Việc nghiên cứu chuyển hóa có hiệu quả nguồn năng lượng này thành các dạng hữu dụng khác phục vụ đời sống con người là một trong những thách thức đối với sự phát triển nghiên cứu khoa học và công nghệ trong tương lai. Một trong những hướng nghiên cứu đó là sử dụng các chất bán dẫn có khả năng quang xúc tác để chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện hoặc hóa học. Titan đioxit (TiO2) là chất xúc tác bán dẫn. Gần một thế kỷ trở lại đây, bột TiO2 với kích thước cỡ µm đã được điều chế ở quy mô công nghiệp và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn trong cao su, nhựa, giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ [24, 29, 32, 47]. Gần đây, các vật liệu dạng bột, dạng sợi, dạng màng TiO2 tinh thể kích thước nm ở các dạng thù hình rutile, anatase hoặc hỗn hợp giữa rutile, anatase và brookite đã được nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm do khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất xúc tác điều chế nhiều hợp chất hữu cơ [32], làm xúc tác quang hoá trong xử lý môi trường, chế sơn tự làm sạch, làm vật liệu chuyển hoá năng lượng trong pin mặt trời, sử dụng trong dược phẩm[17, 18, 21, 34]. Các ứng dụng mới của vật liệu TiO2 kích thước nm chủ yếu dựa vào tính chất bán dẫn của nó. Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO2 được cho là một trong những vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường. TiO2 đồng thời cũng được hy vọng sẽ mang đến những lợi ích to lớn trong vấn đề khủng hoảng năng lượng qua sử dụng năng lượng mặt trời dựa trên tính quang điện và thiết bị phân tách nước. Tuy nhiên, do dải trống của titan đioxit khá lớn (3.25eV đối với anatase và 3.05 eV đối với rutile) nên chỉ ánh sáng tử ngoại gần với bước sóng < 380nm mới có thể kích thích được điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và gây ra hiện tượng 8