Nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano

1.1.1. Phương pháp đồng kết tủa

1.1.2. Phương pháp sol-gel

1.1.3. Phương pháp tổng hợp đốt cháy

1.1.4. Phương pháp thủy nhiệt

1.2. Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng của chúng

1.2.1. Tổng quan về vật liệu nano

1.2.2. Ứng dụng của vật liệu nano

1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano

1.3. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu

1.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

1.3.2. Phương pháp phổ UV-Vis-DRS

1.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM)

1.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

1.3.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng

1.3.6. Phương pháp phổ hấp thụ quang phân tử UV - Vis

1.4. Giới thiệu về ZnO

1.5. Giới thiệu về ZrO2

1.6. Giới thiệu về CeO2

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất

2.1.1. Thiết bị, dụng cụ

2.2. Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt

2.2.1. Tổng hợp vật liệu ZrO2/ZnO/x%Ce

2.2.2. Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ZrO2/ZnO/x%Ce

2.3. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất màu của vật liệu nano ZrO2/ZnO/x%Ce

2.3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MB

2.3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy MB trên xúc tác ZrO2/ZnO/x%Ce

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu

3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM)

3.3. Nghiên cứu phổ FT-IR

3.4. Diện tích bề mặt của các vật liệu

3.5. Nghiên cứu phổ UV-Vis-DRS của các vật liệu

3.6. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB của các mẫu vật liệu. Xác định bước sóng tối ưu và xây dựng đường chuẩn xác định MB

3.7. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu

3.8. Ảnh hưởng của nồng độ MB

3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ phân hủy MB

3.10. Ảnh hưởng của thời gian phân hủy MB

3.11. Giải thích cơ chế quang xúc tác của vật liệu

3.12. Nghiên cứu động học của quá trình phân hủy MB

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

PHỤ LỤC

I. Vật liệu nano ZrO2 ZnO pha tạp Ce Tổng quan và tiềm năng

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, các vật liệu nano oxit ngày càng thu hút sự quan tâm lớn từ giới khoa học. Đặc biệt, ZrO2/ZnO nano composite pha tạp Ce nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhờ những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực. Oxit zirconium (ZrO2), một chất bán dẫn loại n, được ứng dụng rộng rãi trong điện phân, pin nhiên liệu, gốm kỹ thuật, và cảm biến. Tuy nhiên, ZrO2 có độ rộng vùng cấm lớn, hạn chế khả năng hoạt động quang xúc tác. Để khắc phục điều này, việc kết hợp ZrO2 với ZnO và pha tạp thêm Ce được xem là một giải pháp hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano composit ZrO2.ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt, hướng đến ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.

1.1. Vật liệu nano quang xúc tác Xu hướng và định hướng

Vật liệu nano quang xúc tác đang trở thành xu hướng tất yếu trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trường. Các vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-hole, từ đó kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các chất ô nhiễm. Việc phát triển các vật liệu nano tiên tiến với hiệu suất quang xúc tác cao là mục tiêu quan trọng. Theo nghiên cứu, ZrO2 có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, nhưng hiệu quả thấp do tốc độ tái hợp electron/lỗ quang nhanh. Do đó, việc cải tiến hoạt tính quang xúc tác là cần thiết.

1.2. Vai trò của pha tạp Ce trong vật liệu nano ZrO2 ZnO

Việc pha tạp Ce vào vật liệu nano ZrO2/ZnO có vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất quang xúc tác. Các ion kim loại đất hiếm như Ce4+, Ce3+ có khả năng tăng cường hiệu suất quang xúc tác của các oxit bán dẫn. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ảnh hưởng của Ce đến hoạt tính quang xúc tác của nano composit ZrO2/ZnO còn hạn chế. Nghiên cứu này tập trung làm rõ vai trò của Ce trong việc thay đổi cấu trúc và tính chất quang xúc tác ZrO2/ZnO, từ đó tối ưu hóa khả năng ứng dụng của vật liệu.

II. Thách thức và giải pháp Nâng cao hiệu quả quang xúc tác

Mặc dù vật liệu nano ZrO2/ZnO có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn tồn tại những thách thức cần giải quyết để nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Một trong những vấn đề chính là độ rộng vùng cấm (band gap) lớn của ZrO2, khiến vật liệu chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV. Ngoài ra, tốc độ tái hợp nhanh của các cặp electron-hole cũng làm giảm hiệu quả quang xúc tác. Để giải quyết những thách thức này, nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu nano và điều chỉnh các thông số tổng hợp. Phương pháp thủy nhiệt được lựa chọn vì khả năng kiểm soát tốt kích thước hạt và độ đồng nhất của vật liệu.

2.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhu cầu vật liệu xử lý

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nước thải, đang là vấn đề cấp bách toàn cầu. Các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và chất tẩy rửa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Do đó, nhu cầu về các vật liệu nano quang xúc tác có khả năng phân hủy chất ô nhiễm hiệu quả ngày càng tăng. Nghiên cứu này hướng đến việc phát triển một giải pháp tiềm năng cho vấn đề xử lý nước thải bằng cách sử dụng vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce.

2.2. Tối ưu hóa cấu trúc nano Kích thước hạt và diện tích bề mặt

Kích thước hạt nano và diện tích bề mặt riêng là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu và chất ô nhiễm, từ đó tăng hiệu quả phân hủy. Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt nano một cách hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc điều chỉnh các thông số tổng hợp để đạt được cấu trúc vật liệu nano tối ưu, với diện tích bề mặt riêng lớn và độ phân tán tốt.

III. Phương pháp thủy nhiệt Bí quyết tổng hợp vật liệu nano ZrO2 ZnO

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và độ tinh khiết của sản phẩm. Trong quá trình tổng hợp vật liệu nano, các tiền chất được hòa tan trong dung môi và phản ứng trong một bình kín (autoclave) ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác, bao gồm khả năng tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, giảm thiểu sự hình thành các pha tạp không mong muốn, và tạo ra các hạt nano có độ đồng đều cao. Theo nghiên cứu, phương pháp thủy nhiệt giúp kiểm soát thành phần, cấu trúc, tính đồng nhất và độ tinh khiết của sản phẩm.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu ZrO2 ZnO Ce bằng thủy nhiệt

Quy trình tổng hợp vật liệu ZrO2/ZnO/Ce bằng phương pháp thủy nhiệt bao gồm các bước chính sau: (1) Chuẩn bị dung dịch chứa các tiền chất của ZrO2, ZnO và Ce với tỷ lệ thích hợp. (2) Trộn đều các dung dịch bằng máy khuấy từ để tạo sự đồng nhất. (3) Đưa hỗn hợp dung dịch vào cốc teflon đặt trong autoclave. (4) Đặt autoclave vào trong lò, điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng. (5) Lấy mẫu ra khỏi lò, xử lý mẫu bằng cách ly tâm, rửa sạch tạp chất và sấy khô. Các thông số tổng hợp như nhiệt độ, áp suất, thời gian và tỷ lệ các tiền chất được tối ưu hóa để đạt được vật liệu nano có cấu trúc và tính chất mong muốn.

3.2. Ưu điểm vượt trội của phương pháp thủy nhiệt trong tổng hợp nano

Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp tổng hợp nano khác. Thứ nhất, phương pháp này cho phép tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, giúp giảm thiểu sự hình thành các pha tạp không mong muốn và tiết kiệm năng lượng. Thứ hai, phương pháp thủy nhiệt tạo ra các hạt nano có độ đồng đều cao và kích thước hạt nano có thể được kiểm soát dễ dàng bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng. Thứ ba, phương pháp này có thể sử dụng các dung môi khác nhau, bao gồm cả nước và các dung môi hữu cơ, mở rộng khả năng tổng hợp các loại vật liệu khác nhau. Cuối cùng, phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và có chi phí thấp.

IV. Đặc trưng cấu trúc vật liệu nano ZrO2 ZnO Ce Phân tích XRD SEM TEM

Để hiểu rõ cấu trúc vật liệu nano ZrO2/ZnO/Ce, các phương pháp đặc trưng vật liệu nano tiên tiến được sử dụng. Phân tích XRD (nhiễu xạ tia X) cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và kích thước hạt. Phân tích SEM (hiển vi điện tử quét) và TEM (hiển vi điện tử truyền qua) cho phép quan sát hình thái và kích thước hạt nano. Các kết quả phân tích XRD, SEM, TEM được sử dụng để xác định ảnh hưởng của pha tạp Ce đến cấu trúc vật liệu nano và mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác.

4.1. Phân tích XRD Xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt

Phân tích XRD là một phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu nano. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho biết các pha tinh thể có mặt trong vật liệu và kích thước hạt nano có thể được ước tính từ độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ. Nghiên cứu sử dụng phân tích XRD để xác định sự hình thành của các pha ZrO2, ZnO và CeO2 trong vật liệu nano composit và đánh giá ảnh hưởng của pha tạp Ce đến cấu trúc tinh thể.

4.2. Phân tích SEM và TEM Quan sát hình thái và kích thước nano

Phân tích SEM và TEM cung cấp hình ảnh trực tiếp về hình thái và kích thước hạt nano. Ảnh SEM cho thấy hình dạng và sự phân bố của các hạt trên bề mặt vật liệu, trong khi ảnh TEM cho phép quan sát cấu trúc bên trong của các hạt nano. Nghiên cứu sử dụng phân tích SEM và TEM để xác định kích thước hạt nano của ZrO2/ZnO/Ce và đánh giá ảnh hưởng của pha tạp Ce đến hình thái của vật liệu.

V. Hoạt tính quang xúc tác Ứng dụng phân hủy chất ô nhiễm Methylene Blue

Để đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZrO2/ZnO/Ce, phản ứng phân hủy chất ô nhiễm Methylene Blue (MB) được sử dụng. MB là một chất màu hữu cơ phổ biến trong công nghiệp dệt nhuộm và là một chất ô nhiễm môi trường. Quá trình quang xúc tác phân hủy MB được theo dõi bằng phổ UV-Vis. Hiệu suất phân hủy MB được tính toán dựa trên sự thay đổi độ hấp thụ của dung dịch MB theo thời gian. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác như khối lượng vật liệu, nồng độ MB, nhiệt độ và thời gian phản ứng được nghiên cứu.

5.1. Phân tích UV Vis Đánh giá hiệu quả phân hủy Methylene Blue

Phân tích UV-Vis là một phương pháp quan trọng để theo dõi quá trình phân hủy chất ô nhiễm bằng vật liệu nano quang xúc tác. Phổ UV-Vis của dung dịch MB cho thấy độ hấp thụ cực đại tại bước sóng đặc trưng. Khi MB bị phân hủy, độ hấp thụ này giảm dần. Nghiên cứu sử dụng phân tích UV-Vis để đo độ hấp thụ của dung dịch MB theo thời gian và tính toán hiệu suất phân hủy.

5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất quang xúc tác

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác của vật liệu nano. Khối lượng vật liệu, nồng độ chất ô nhiễm, nhiệt độ và thời gian phản ứng đều có thể ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu suất quang xúc tác của ZrO2/ZnO/Ce để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy chất ô nhiễm.

VI. Kết luận và triển vọng Vật liệu nano cho năng lượng tái tạo

Nghiên cứu về vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce đã mở ra những hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu nano quang xúc tác. Kết quả cho thấy pha tạp Ce có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của ZrO2/ZnO. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải và các lĩnh vực liên quan đến năng lượng tái tạo. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa cấu trúc vật liệu nano và nâng cao hiệu suất quang xúc tác, hướng đến các ứng dụng thực tế.

6.1. Tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm và năng lượng sạch

Vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường và năng lượng sạch. Khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ của vật liệu này có thể được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Ngoài ra, vật liệu nano này cũng có thể được ứng dụng trong các thiết bị năng lượng mặt trời để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo Tối ưu hóa và ứng dụng thực tế

Để đưa vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce vào ứng dụng thực tế, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: (1) Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến hoạt tính quang xúc tác. (2) Phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu nano hiệu quả hơn. (3) Thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế. (4) Nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị năng lượng mặt trời.

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZrO2/ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt