Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO

Khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng trong công nghệ.

• Tác giả: Phạm Minh Diễn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Trúc Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Khảo Sát Ảnh Hưởng Của Tiền Chất Đến Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Nano ZnO
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về khảo sát ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO

Khảo sát ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hóa học vô cơ. Nano ZnO, với tính chất quang xúc tác vượt trội, đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của các tiền chất khác nhau đến hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO sẽ giúp tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực như xử lý nước thải và năng lượng tái tạo.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu nano ZnO

Nano ZnO có cấu trúc tinh thể dạng wurtzite, với các đặc điểm nổi bật như độ bền cao và khả năng quang xúc tác tốt. Cấu trúc này cho phép nano ZnO hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, từ đó thúc đẩy các phản ứng quang xúc tác.

1.2. Tầm quan trọng của tiền chất trong tổng hợp nano ZnO

Tiền chất đóng vai trò quyết định trong quá trình tổng hợp nano ZnO. Sự khác biệt trong loại tiền chất sử dụng có thể ảnh hưởng đến kích thước, hình thái và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Việc lựa chọn tiền chất phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO

Mặc dù nano ZnO có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác. Các vấn đề như sự tái kết hợp của electron và lỗ trống, cũng như sự hiện diện của tạp chất từ tiền chất có thể làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu cần tập trung vào việc khắc phục những vấn đề này để nâng cao hiệu quả sử dụng nano ZnO.

2.1. Sự tái kết hợp electron và lỗ trống

Sự tái kết hợp giữa electron và lỗ trống là một trong những nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất quang xúc tác của nano ZnO. Việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng có thể giúp giảm thiểu hiện tượng này.

2.2. Ảnh hưởng của tạp chất từ tiền chất

Tạp chất từ các tiền chất có thể gây cản trở hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO. Nghiên cứu cần xác định rõ các tạp chất này và tìm cách loại bỏ chúng trong quá trình tổng hợp.

III. Phương pháp tổng hợp nano ZnO và ảnh hưởng của tiền chất

Có nhiều phương pháp tổng hợp nano ZnO, trong đó phương pháp kết tủa, sol-gel và thủy nhiệt là phổ biến nhất. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và sự lựa chọn tiền chất cũng ảnh hưởng lớn đến đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Việc nghiên cứu các phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất nano ZnO.

3.1. Phương pháp kết tủa và ảnh hưởng của tiền chất

Phương pháp kết tủa là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp nano ZnO. Tuy nhiên, loại tiền chất sử dụng có thể ảnh hưởng đến kích thước và hình thái của hạt nano, từ đó tác động đến hoạt tính quang xúc tác.

3.2. Phương pháp sol gel trong tổng hợp nano ZnO

Phương pháp sol-gel cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước đồng nhất và tính chất quang tốt. Việc lựa chọn tiền chất phù hợp trong phương pháp này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất quang xúc tác tối ưu.

3.3. Phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng của nano ZnO

Phương pháp thủy nhiệt giúp tạo ra nano ZnO với độ tinh khiết cao và hình dạng đồng nhất. Ứng dụng của nano ZnO trong xử lý nước thải và năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu rộng rãi.

IV. Kết quả nghiên cứu về hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO phụ thuộc mạnh mẽ vào loại tiền chất sử dụng. Các mẫu nano ZnO được tổng hợp từ tiền chất zinc acetate, zinc nitrate và zinc chloride cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất quang xúc tác. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano ZnO.

4.1. Hiệu suất quang xúc tác của nano ZnO từ zinc acetate

Mẫu nano ZnO tổng hợp từ zinc acetate cho thấy hiệu suất quang xúc tác cao nhất trong các thí nghiệm. Điều này có thể do kích thước hạt nhỏ và bề mặt hoạt động lớn.

4.2. So sánh hiệu suất quang xúc tác giữa các tiền chất

Kết quả cho thấy nano ZnO từ zinc nitrate và zinc chloride có hiệu suất quang xúc tác thấp hơn so với từ zinc acetate. Sự khác biệt này cần được nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ nguyên nhân.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về nano ZnO

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của nano ZnO đã chỉ ra rằng việc lựa chọn tiền chất là yếu tố quyết định đến hiệu suất quang xúc tác. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng của nano ZnO trong các lĩnh vực thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu nano ZnO

Nghiên cứu về nano ZnO sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong xử lý môi trường và năng lượng. Việc tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp sẽ là hướng đi quan trọng.

5.2. Ứng dụng thực tiễn của nano ZnO

Nano ZnO có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, sản xuất năng lượng và trong các thiết bị điện tử. Nghiên cứu cần tiếp tục để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, thuật ngữ “nano” đã không còn xa lạ với cuộc sống con người. Công nghệ nano là một bước tiến vượt bậc trong khoa học, nó cho phép con người tạo ra những vật liệu mới có những tính năng “phi thường” của tính điện, tính quang, tính từ…. Điều đó mở ra khả năng không giới hạn trong việc phát triển các ứng dụng ngành công nghệ nano. Trên thế giới, công nghệ nano nói chung và nano zinc oxide nói riêng đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: điện tử, quang học, môi trường…Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu về nano zinc oxide vẫn còn ít so với nhiều nước trên thế giới.

Sở dĩ nano zinc oxide được nhiều nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm là vì nó là chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm lớn (3.37 eV ở nhiệt độ phòng), độ bền vững và nhiệt độ nóng chảy cao, độ ổn định nhiệt tốt, có khả năng quang xúc tác trong điều kiện chiếu sáng thích hợp bằng đèn UV. Có rất nhiều phương pháp tổng hợp nano zinc oxide như: phương pháp kết tủa, phương pháp lắng đọng xung laser, phương pháp sol-gel…[10, 11]. Tuỳ thuộc vào phương pháp tổng hợp, tiền chất mà các hạt nano có hình dạng khác nhau. Do đó, tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế, điều kiện phòng thí nghiệm cũng như mục đích sử dụng mà chọn phương pháp phù hợp.

Trong đó, phương pháp kết tủa với tác nhân sodium hydroxide là phương pháp dễ thực hiện, ít tốn kém. Cùng một phương pháp kết tủa có thể đi từ nhiều tiền chất khác nhau như zinc acetate, zinc nitrate, zinc chloride….Sự khác nhau về tiền chất tổng hợp đã gây ra sự ảnh hưởng đến kích thước hạt, hình thái bề mặt và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu [19]. Đã có nhiều nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các tiền chất tổng hợp đến đặc trưng hoá lí và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano zinc oxide. Tuy nhiên, những nghiên cứu này không công bố một cách có hệ thống về sự ảnh hưởng của các tiền chất tổng hợp đến hiệu suất thu hồi bột rắn zinc oxide, đặc trưng hoá lí và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO.

Vì vậy, đề tài “Tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của tiền chất đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO” được đề xuất và nghiên cứu trong khoá luận của tôi. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu zinc oxide Tinh thể ZnO được hình thành từ nguyên tố nhóm IIB (Zn) và nguyên tố nhóm VIA (O). ZnO có ba dạng cấu trúc gồm: hexagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt.1: Minh họa các cấu trúc của tinh thể ZnO Trong đó: hexagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định nhất trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, zinc blende chỉ kết tinh được trên đế có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt chỉ tồn tại ở áp suất cao. Ở điều kiện thường cấu trúc của ZnO tồn tại dạng wurrtzite, đây là cấu trúc ổn định và bền vững khi ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, thuộc nhóm không gian P63mc [2].

Mạng tinh thể ZnO ở dạng này được hình thành trên cơ sở hai phân mạng lục giác xếp chặt (chiếm 74.05% không gian và 25.95% khoảng trống) của cation Zn2+ và anion O2- lồng vào nhau một khoảng cách 3/8 chiều cao [3, 4, 5].2 [17] minh họa cấu trúc wurtzite của vật liệu ZnO.2: Cấu trúc wurtzite của tinh thể ZnO (a) Cấu trúc tinh thể wurtzite thể hiện sự phối trí tứ diện của các nguyên tử Zn và O (b) Ô mạng cơ sở của cấu trúc wurtzite Hằng số mạng trong cấu trúc được đánh giá vào cỡ: a = 3. Tinh thể lục giác ZnO không có tâm đối xứng, liên kết trong mạng tinh thể ZnO vừa là liên kết ion vừa là liên kết cộng hoá trị [3]. Các phương pháp tổng hợp vật liệu zinc oxide 1. Phương pháp kết tủa Phương pháp kết tủa là một phương pháp đã được ứng dụng khá rộng rãi vì tính đơn giản, tiện lợi và phù hợp với mọi điều kiện thí nghiệm.

Với cùng một phương pháp thực nghiệm, người nghiên cứu có thể thực hiện thay đổi như, cùng một tác nhân kết tủa có thể thực hiện trên nhiều đối tượng tiền chất khác nhau hoặc ngược lại cùng một đối tượng tiền chất có thể thực hiện trên nhiều tác nhân kết tủa khác nhau. Sơ đồ chung của phương pháp kết tủa: Dung dịch tiền chất Huyền Lọc Nung ở nhiệt Sản phù kết rửa kết độ thích hợp phẩm tủa tủa Tác nhân kết tủa Bên cạnh những ưu điểm thì phương pháp này cũng có nhiều khuyết điểm, chính vì sự ưu việt là các tiền chất điều sử dụng được cho quá trình tổng hợp, nên sự ảnh hưởng của nó đến hiệu suất thu hồi sản phẩm và các tính chất đặc trưng của sản phẩm 2 là điều không tránh khỏi. Đối với một tác nhân kết tủa, khi sử dụng các tiền chất tổng hợp khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau. Theo nghiên cứu của A.

Kołodziejczak- Radzimska và cộng sự [7]: khi lượng tiền chất tồn đọng trong mẫu quá nhiều làm thay đổi kích thước tinh thể của vật liệu. Với nghiên cứu của Tania. Giraldi và cộng sự [19]: sự có mặt của các anion còn sót lại từ các tiền chất tổng hợp gây ra hiện tượng ức chế hoạt tính của vật liệu, làm khả năng quang xúc tác của vật liệu bị giảm. Hơn nữa, sự xuất hiện những tạp chất trung gian không mong muốn, được tạo ra trong quá trình kết tủa mà ở nhiệt độ nung nhất định chúng vẫn còn tồn tại và không phân huỷ hết.

Sự xuất hiện của chúng làm cho các vật liệu tổng hợp được, mất đi những tính chất vốn có của nó. Chính vì vậy, để tổng hợp được vật liệu đúng với mục đích mong muốn, cần lựa chọn những tiền chất tổng hợp phù hợp nhất. Phương pháp sol – gel Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất nhỏ, vật liệu nano. Phương pháp sol-gel được thực hiện theo quy trình sau: Dung dịch Sol (dung Gel (dung Xerogel Tinh (hợp chất dịch keo dịch keo (keo khô) Thể bột hữu cơ + lỏng) đặc) nước) Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc các muối kim loại vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các huyền phù trở nên chất keo lỏng.

Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ chuyển thành xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân các chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel để tạo thành tinh thể bột. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích thước 3 tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn…Tuy nhiên, phương pháp này còn tồn tại nhiều hạn chế: do sự khác biệt về tốc độ thuỷ phân của các chất ban đầu có thể dẫn đến tính không đồng nhất hoá học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn.

Phương pháp thuỷ nhiệt Phương pháp thuỷ nhiệt là một phương pháp quan trọng trong tổng hợp vô cơ. Tổng hợp thuỷ nhiệt được thực hiện thông qua những phản ứng hoá học trong dung dịch nước, trên điểm sôi. Byrappa và Yoshimura đã định nghĩa tổng hợp thuỷ nhiệt là quá trình phản ứng hoá học về sự hoà tan trong nước của các chất tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao hơn 100oC và áp suất lớn hơn 1atm trong hệ kín. Phương pháp này có đặc điểm là kết tủa đồng thời các hydroxide kim loại ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khuếch tán các chất tham gia phản ứng tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng, do đó có thể điều chế được nhiều vật liệu mong muốn.

Phương pháp thuỷ nhiệt điều chế vật liệu có khá nhiều ưu điểm như: cho sản phẩm tinh thể có độ tinh khiết cao, sử dụng những tiền chất có giá thành rẻ để tạo ra sản phẩm có giá trị cao, khi sử dụng những tiền chất khác nhau thì sản phẩm điều chế sẽ có hình dạng khác nhau, có thể thông qua nhiệt độ thuỷ nhiệt để điều chỉnh kích thước tinh thể. Tuy nhiên, phương pháp thuỷ nhiệt cũng tồn tại một số nhược điểm như: có một số chất không thể hoà tan được trong nước nên không thể dùng phương pháp thuỷ nhiệt, khi điều chế vật liệu có thể tạo ra một số chất không mong muốn (tạp chất)[3]. Sử dụng vật liệu zinc oxide trong phản ứng quang xúc tác phân huỷ chất hữu cơ 1. Cơ chế của phản ứng quang xúc tác phân huỷ chất hữu cơ Quá trình quang xúc tác có được tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng.

Phản ứng quang xúc tác được chia thành 6 giai đoạn [5]: - Giai đoạn 1: Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt chất xúc tác. - Giai đoạn 2: Các chất tham gia phản ứng được hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác. 4 - Giai đoạn 3: Vật liệu quang xúc tác hấp thụ photon ánh sáng, phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích với sự chuyển mức năng lượng của electron. - Giai đoạn 4: Phản ứng quang xúc tác được chia làm 2 giai đoạn nhỏ là: phản ứng quang xúc tác sơ cấp và phản ứng quang xúc tác thứ cấp.

Phản ứng quang xúc tác sơ cấp: là phản ứng mà trong đó các phân tử bị kích thích (các phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ. Phản ứng quang xúc tác thứ cấp: còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt, đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp. - Giai đoạn 5: Nhả hấp phụ các sản phẩm. - Giai đoạn 6: Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng.

Trong giai đoạn 3 của phản ứng quang xúc tác có điểm khác so với xúc tác truyền thống là ở cách hoạt hoá chất xúc tác. Trong phản ứng xúc tác truyền thống, chất xúc tác được hoạt hoá bởi năng lượng nhiệt, còn trong phản ứng xúc tác quang hoá chất xúc tác được hoạt hoá bởi sự hấp thụ quang năng ánh sáng. Quá trình xảy ra đầu tiên của quá trình quang xúc tác phân huỷ các chất hữu cơ và vô cơ bằng chất bán dẫn là sự sinh ra các cặp điện điện tử - lỗ trống trong chất bán dẫn.