Luận văn Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột Titan Đioxit kích thước Nano từ chất đầu TiCl₄ và Amin

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 từ chất đầu TiCl₄ và Amin

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------- TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Hà Nội - 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------- TRẦN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Sỹ Lương Hà Nội - 2011
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN .......................................................................... 3 1.1. Giớ i thiêụ chung về công nghệ nano. ............................................. 3 1.1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano. .............................................. 3 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano. .................................................. 4 1.2. Giớ i thiêụ về vật liệu titan đioxit kích thƣớ c nano ....................... 5 1.2.1. Cấu trúc của TiO2 ....................................................................... 5 1.2.2. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile ......................... 7 1.2.3. Sự chuyển pha trong TiO2 .......................................................... 9 1.2.4. Tính chất hóa học của titan đioxit ............................................ 10 1.2.5. Các ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thước nm ....................... 11 1.3. Giớ i thiêụ về titan đioxit kích thƣớ c nano đƣơc̣ biến tính bằng nito ............................................................................................................ 15 1.3.1. Các kiểu TiO2 biến tính ............................................................ 15 1.3.2. Tính chất của TiO2 kích thước nano biến tính bằng nito ........ 16 1.3.3. Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nano biến tính bằng nitơ .......................................................................................................... 18 1.4. Giớ i thiêụ về titan đioxit kích thƣớ c nano đƣơc̣ biến tính bằng nito vớ i tiền chấ t cung cấ p nito là hydrazine và hydroxylammine .......... 21 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 23 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................. 23 2.1.1. Mục tiêu .................................................................................... 23 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu .......................................................... 23 2.2. Hóa chất và thiết bị ........................................................................ 23 2.2.1. Hóa chất .................................................................................... 23 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị .................................................................. 24 2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thƣớc nano biến tính nitơ theo phƣơng pháp thuỷ phân từ chất đầu là TiCl4 với sự có mặt của hydrazine hoặc hydroxylammine .................................. 24
4. 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................... 26 2.4.1. Phương pháp XRD ................................................................... 26 2.4.2. Phổ tán xạ tia X (EDX hoăc̣ EDS) ........................................... 29 2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [1] .............................. 30 2.4.4. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit31 2.4.5. Phương pháp tính hiệu suất quá trình điều chế ........................ 34 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 35 3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung........................................ 35 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydrazine ...................................................... 35 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydroxylammine .......................................... 38 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ TiCl4 ....................................... 41 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydrazine ...................................................... 41 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 khi sử dụng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine .......................................... 43 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ hydrazine và hydroxylammine ............................................................................................ 45 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hydrazine ............................ 45 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine................. 47 3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian nung ...................................... 49 3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydrazine ...................................................... 49 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydroxylammine .......................................... 51 3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian thủy phân ............................. 54 3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydrazine ............................................... 54 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2 khi sử duṇ g chất đầu cung cấp N là hydroxylammine .................................... 56
5. 3.6. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ thủy phân ............................... 58 3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine .................................................... 58 3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ......................................... 59 3.7. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian lƣu mẫu trƣớc li tâm ........... 60 3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến mâũ TiO2-N khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine ............................... 60 3.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến mâũ N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine .................... 61 3.8. Khảo sát ảnh hƣởng của điều kiện rửa ........................................ 62 3.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine .......................................................... 62 3.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ............................................... 63 3.9. Điều chế bôṭ N-TiO2 kích thƣớc nano vớ i tiền chấ t cung cấ p N là hydrazine và hydroxylammine ................................................................ 64 3.9.1. Sơ đồ điều chế .......................................................................... 64 3.9.2. Thuyết minh quy trình .............................................................. 64 3.9.3. Kết quả điều chế theo quy trình ............................................... 65 KẾT LUẬN .................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 70
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ. Danh mục bảng. Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutil và anatase. ......................................................................................................................... 7 Bảng 1.2. Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm. ......................................................................................................................... 11 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ...................... 36 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. .......... 40 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ...................... 43 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. .......... 45 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ hidrazine đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2. ..................................................................................... 47 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2. ..................................................................... 49 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian nung đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ...................... 51 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của thời gian nung đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. .......... 53 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ............... 55
7. Bảng 3.10. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến các đặc trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine.............................................................................................. 57 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. .................................................................................................... 58 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. ......................................................................................... 59 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ................................................................................. 60 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. ..................................................................... 61 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của điều kiện rửa đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ........................................................................................................ 62 Bảng 3.16. Ảnh hưởng của điều kiện rửa đến hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine.............................................................................................. 63 Danh mục hình. Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 ......................................................................................................................... 6
8. Hình 1.2. Hình khối bát diện của TiO2 ......................................................................................................................... 7 Hình 1.3. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutil ......................................................................................................................... 8 Hình 1.4. Lượng TiO2 sử dụng hàng năm trong lĩnh vực quang xúc tác ............................................................................................................ 12 Hình 1.5. Sơ đồ khối mô tả quy trình điều chế TiO2 theo phương pháp sol – gel .................................................................................... 18 Hình 1.6. Công thức cấu tạo của hydrazine ......................................................................................................................... 21 Hình 1.7. Công thức cấu tạo của hydroxylamine ......................................................................................................................... 21 Hình 2.1. Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nano được biến tính nito theo phương pháp thủy phân dung dịch từ TiCl4 có mặt hydrazine hoặc hydroxylamine ................................................................ 25 Hình 2.2. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể ......................................................................................................................... 27 Hình 2.3. Xác định cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ............................................................................................................ 27 Hình 2.4. Nhiễu xạ kế tia X D8 – Advance 5005 (CHLB Đức) ......................................................................................................................... 28
9. Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ......................................................................................................................... 31 Hình 2.6. Công thức cấu tạo của xanh metylen ......................................................................................................................... 32 Hình 2.7. Thiết bị phản ứng phân hủy xanh metylen ......................................................................................................................... 33 Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau ......... 35 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine ................................................................................................. 36 Hình 3.3. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau ......................................................................................................... 38 Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ...................................................................................... 39 Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở nồng độ TiCl4 khác nhau ......... 41 Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine ................................................................................................. 42
10. Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở nồng độ TiCl4 khác nhau ......................................................................................................... 44 Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ...................................................................................... 44 Hình 3.9. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế ở nồng độ hydrazine khác nhau .......................................................................... 46 Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ hydrzine đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 ................................................ 46 Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế ở nồng độ hydroxylammine khác nhau .............................................................. 48 Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 ................................ 48 Hình 3.13. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở thời gian nung khác nhau ........ 50 Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine ........................................................................................... 50 Hình 3.15. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở thời gian nung khác nhau ......................................................................................................... 52 Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ............................................................................... 52