Luận văn Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của Graphen Oxit Dopping kim loại chuyển tiếp

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của Graphen Oxit Dopping kim loại chuyển tiếp

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ NGUYỄN THỊ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA GRAPHEN OXIT DOPPING KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ Nguyễn Thị Phƣơng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA GRAPHEN OXIT DOPPING KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. VŨ ĐÌNH NGỌ 2. PGS.TS. NGHIÊM XUÂN THUNG HÀ NỘI – 2015
3. LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Vũ Đình Ngọ, PGS.TS Nghiêm Xuân Thung, PGS.TS Vũ Anh Tuấn là những người hướng dẫn tận tình, luôn định hướng, góp ý và sửa chữa để giúp tôi hoàn thành tốt mọi công việc. Cảm ơn anh Th.S Lê Hà Giang, Th.S Nguyễn Kế Quang cùng các cô chú, anh chị phòng Hóa lý bề mặt – Viện hóa học đã cung cấp cho tôi rất nhiều hiểu biết về một lĩnh vực mới khi tôi bắt đầu bước vào thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt chương trình học cao học, cảm ơn các bạn học viên tại Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình và những người thân của tôi đã luôn ở bên cạnh chia sẻ, bảo ban cũng như động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 12 năm 2015 Học viên cao học Nguyễn Thị Phương
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I . TỔNG QUAN .................................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về graphen ..................................................................................... 3 1.1.1. Tính chất vật lý ........................................................................................... 3 1.1.2. Cấu trúc của graphen .................................................................................. 4 1.1.3. Một số tính chất của vật liệu graphene ....................................................... 4 1.1.4. Phương pháp tổng hợp graphen.................................................................. 7 1.2. Giới thiệu chung về oxit graphen .................................................................. 9 1.2.1. Điều chế oxit graphen............................................................................... 10 1.2.2. Tâm hoạt động của graphen và oxit graphen ........................................... 10 1.3. Vật liệu dựa trên cơ sở graphen .................................................................. 11 1.3.1. Các hạt nano kim loại trên nền graphen ................................................... 11 1.3.2. Các hạt oxit kim loại trên nền graphen .................................................... 12 1.4. Các phƣơng pháp điều chế hệ composit oxit kim loại/oxit graphen ........ 12 1.4.1. Phương pháp trộn dung dịch .................................................................... 13 1.4.2. Phương pháp đồng tạo phức ..................................................................... 13 1.4.3. Phương pháp đồng kết tủa ........................................................................ 13 1.4.4. Phương pháp sol-gel ................................................................................. 14 1.4.5. Các phương pháp khác ............................................................................. 15 1.5. Hấp phụ ......................................................................................................... 15 1.5.1. Hiện tượng hấp phụ .................................................................................. 15 1.5.2. Phân loại các dạng hấp phụ ...................................................................... 16 1.5.3. Sự hấp phụ trong môi trường nước .......................................................... 18 1.5.4. Quang phân hủy các hợp chất ô nhiễm .................................................... 20 1.6. Nƣớc thải dệt nhuộm .................................................................................... 21 1.6.1. Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm ....................... 21 1.6.2. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải nhuộm nhiễm các hợp chất azo ........ 22 CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 26 2.1. Nội dung nghiên cứu của luận văn .............................................................. 26 2.1.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 26
5. 2.1.2. Các hóa chất ............................................................................................. 26 2.2. Tổng hợp vật liệu .......................................................................................... 26 2.2.1. Tổng hợp nano composit Fe-Fe3O4-GO ................................................... 26 2.2.2. Tổng hợp vật liệu nano composit CoFe2O4/GO ...................................... 27 2.2.3. Tổng hợp vật liệu nano composit ZnFe2O4-rGO .................................... 27 2.3. Phƣơng pháp đo dung lƣợng hấp phụ ........................................................ 27 2.3.1. Đánh giá khả năng hấp phụ ...................................................................... 28 2.4. Các phƣơng pháp phân tích để xác định đặc trƣng của vật liệu ............. 30 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 32 3.1. Các kết quả đặc trƣng của xúc tác .............................................................. 32 3.1.1. Đặc trưng, hình thái học của Fe/Fe3O4/GO .............................................. 32 3.1.2. Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu CoFe2O4/GO ............................... 35 3.1.3. Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu ZnFe2O4-rGO .............................. 37 3.2. Các kết quả khảo sát khả năng hấp phụ và quang xúc tác của vật liệu ...... 39 3.2.1. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ..................... 39 3.2.2. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO ..................... 47 3.2.3. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên ZnFe2O4-rGO .................... 53 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 62
6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.0. Các liên kết của mỗi nguyên tử cacbon trong mạng graphen ..................... 4 Hình 1.1. Phương pháp tách lớp graphit bằng băng dính ........................................... 7 Hình 1.2.Cơ chế tạo màng graphen bằng phương pháp nung nhiệt đế SiC ................ 8 Hình 1.3.Quá trình oxi hóa từ graphit thành oxit graphen (a) và quá trình khử oxit graphen bằng hydrazine (b) được đề xuất[11] ................................... 9 Hình 1.4.Cơ chế đề nghị của quá trình tổng hợp oxit graphen và graphen .............. 10 Hình 1.5. Ảnh TEM của chất xúc tác Pt-Ru/GO ...................................................... 12 Hình 1.6.Tổng hợp tinh thể nano TiO2 trên bề mặt lớp GO ..................................... 15 Hình 1.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên HPVL và HPHH hoạt động . ....................... 17 Hình 1. 8. Hoạt tính xúc tác quang của hệ TiO2/GO (a) và cơ chế (b) ..................... 21 Hình 2.1. Hệ thống khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong vùng khả kiến .............. 28 Hình 3.1. Giản đồ XRD của Fe-Fe3O4-GO và Fe3O4-GO ........................................ 32 Hình 3.2. Ảnh TEM của Fe-Fe3O4-GO ..................................................................... 32 Hình 3.3. Phổ FTIR của Fe-Fe3O4-GO và Fe3O+-GO ............................................... 33 Hình 3.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (a) và phân bố mao quản (b) của Fe-Fe3O4-GO và Fe3O4-GO ................................................ 33 Hình 3.5. Phổ XPS của Fe/Fe3O4/GO (a-d) và Fe3O4/GO (a,b) ............................. 34 Hình 3.6 Giản đồ XRD của CoFe2O4/GO ................................................................. 35 Hình 3.7. Phổ FTIR của CoFe2O4/GO ...................................................................... 36 Hình 3.8. Ảnh TEM của CoFe2O4/GO ...................................................................... 36 Hình 3.9. Giản đồ XRD của ZnFe2O4-GO, rGO ....................................................... 37 Hình 3.10. Phổ FTIR của ZnFe2O4-GO,rGO ............................................................ 38 Hình 3.11.Ảnh TEM của ZnFe2O4-rGO và rGO ...................................................... 38 Hình 3.12. Khả năng tự phân hủy của RR195 trong môi trường pH khác nhau với sự có mặt H2O2 .................................................................................. 39 Hình 3.13. Ảnh hưởng pH đến khả năng phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ...... 40 Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ............................................................................................ 41
7. Hình 3.15. Ảnh hưởng nồng độ đầu RR195đến quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ............................................................................................ 43 Hình 3. 16. Ảnh hưởng của ánh sáng và xúc tác đến quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ..................................................................................... 44 Hình 3. 17. Quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO ....................................... 44 Hình 3. 18: Độ bền xúc tác Fe-Fe3O4-GO trong quá trình phân hủy RR195 ........... 46 Hình 3. 19. Ảnh hưởng pH đến khả năng phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO ........ 47 Hình 3. 20. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến quá trình phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO ............................................................................................. 49 Hình 3.21. Ảnh hưởng của nồng độ RR195 ban đầu đến quá trình phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO ......................................................................... 50 Hình 3.22. Ảnh hưởngcủa ánh sáng và xúc tác đến quá trình phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO ...................................................................................... 51 Hình 3. 23. Độ bền xúc tác (a) và phổ UV_Vis quá trình phân hủy RR195 dưới điều kiện chiếu xạ (b), không chiếu xạ (c) trên CoFe2O4/GO ................ 52 Hình 3.24. Ảnh hưởng pH đến khả năng phân hủy RR195 trên ZnFe2O4-GO ......... 54 Hình 3.25. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến quá trình phân hủy RR195 trên ZnFe2O4-rGO ............................................................................................ 56 Hình 3.26. Ảnh hưởng của nồng độ RR195 ban đầu đến quá trình phân hủy RR195 trên ZnFe2O4/GO ......................................................................... 57 Hình 3.27. Ảnh hưởng của ánh sáng và xúc tác đến quá trình phân hủy RR195 trên ZnFe2O4/GO ......................................................................... 58 Hình 3.28. Độ bền xúc tác (a) và phổ UV_Vis quá trình phân hủy RR195 dưới điều kiện chiếu xạ (b), không chiếu xạ (c) trên ZnFe2O4-rGO ................ 59
8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.0. Tính chất của Graphen đơn lớp .................................................................. 3 Bảng 1.1. Độ dẫn điện của một số vật liệu ................................................................. 5 Bảng 1.2. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu ................................................................ 6 Bảng 1 3.Một số hợp chất kích thước nano được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa .............................................................................................. 14 Bảng 1.4. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học .......................................................... 19 Bảng 1.5. Trình bày một số báo cáo gần đây về cách điều chế và ứng dụng của vật liệu tổng hợp dựa trên graphen trong việc xử lý môi trường loại bỏ các hợp chất hữu cơ ............................................................................ 20 Bảng 1.6. Các nguồn chủ yếu phát sinh nước thải công nghiệp dệt nhuộm ............. 22 Bảng 1.7. Điện thế oxy hóa của một số tác nhân oxy hóa mạnh trong môi trường lỏng............................................................................................... 24 Bảng 2.1. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [4] ................................... 28 Bảng 3.1. Các thông số đặc trưng của Fe3O4/GO và Fe/Fe3O4/GO ....................... 34
9. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt GO Graphene oxide Graphen oxit GOVS Graphen oxit vi sóng GOSA Graphen oxit siêu âm XPS X-ray photoelectron spectroscopy Phổ quang điện tử tia X HR-TEM High-resolution Transmission Hiển vi điện tử truyền qua độ Electron Microscopy phân giải cao XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X UV-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ tử ngoại khả kiến FTIR Fourier Transform infrared Phổ hồng ngoại chuyển dịch spectroscopy Fourier BET Brunauer-Emmett-Teller Hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ RR 195 Reactive Red 195 Thuốc nhuộm hoạt tính RR 195
10. MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực công nghiệp đã tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con người đã vô tình dần hủy hoại môi trường sống của mình do các chất thải ra từ các công đoạn sản xuất mà không qua xử lý hoặc xử lý không triệt để. Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra khá nhanh cùng với sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thị. Đối tượng gây ô nhiễm chủ yếu là hoạt động sản xuất của nhà máy trong các khu công nghiệp, hoạt động làng nghề và sinh hoạt tại các đô thị lớn. Thành phần chủ yếu trong nước thải của các cơ sở công nghiệp như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm, chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ,... Trong đó do tính tan cao nên các thuốc nhuộm là tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả là tổn hại đến con người và các sinh vật sống. Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxy hoá. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của con người, siết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn. Trong khoảng 25 năm gần đây, vật liệu cacbon và vật liệu trên cơ sở cacbon vẫn là những vật liệu được sử dụng nhiều nhất để làm vật liệu hấp phụ - xúc tác. Vật liệu trên cơ sở cacbon đã có những bước dài, đầu tiên là than hoạt tính, tiếp theo là ống nano cacbon và hiện nay là graphen. Trong những năm gần đây, graphen và vật liệu trên cơ sở graphen nhận được sự quan tâm đặc biệt. Kể từ khi lần đầu tiên graphen được giới thiệu về các tính chất điện tử năm 2004, ngày nay graphen và vật liệu trên cơ sở graphen đã trở thành đối tượng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và nghiên cứu rộng rãi từ tính chất điện, điện hóa, quang học, cơ học và khả năng hấp phụ độc đáo của nó. Với diện tích bề mặt lớn (giá trị lý thuyết 2630m2/g), tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, nó có thể cho phép việc sản xuất vật liệu composit với các đặc tính chưa từng thấy. Ngay cả việc sử dụng duy nhất một lớp graphen 1