Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3

• Tác giả: Bùi Trọng Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Đức Nguyên
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp, Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano TiO2 Biến Tính Bằng NiO Và Fe2O3
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ÐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu Nano TiO2
• 1.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2
• 1.3. Giới thiệu về xúc tác quang bán dẫn. Cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2
• 1.5. Xử lý chất hữu cơ độc hại ô nhiễm nguồn nước
• 1.6. Xử lý ion kim loại độc hại ô nhiễm nguồn nước
• 1.7. Xử lý các khí độc hại ô nhiễm không khí
• 1.8. Điều chế hiđro từ phân hủy nước
• 1.9. Một số phương pháp nâng cao hiệu suất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2
• 1.9.1. Pha tạp TiO2 với nguyên tố kim loại hoặc phi kim. Kết hợp TiO2 với một chất bán dẫn khác
• 1.10. Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.10.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.10.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.10.3. Tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ và thiết bị chính
• 2.2. Chế tạo vật liệu
• 2.3. Các kỹ thuật đo khảo sát tính chất của vật liệu
• 2.3.1. Nhiễu xạ tia X
• 2.3.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.3.3. Phổ tán xạ tia X (EDX)
• 2.3.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS)
• 2.4. Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ Rhodamine B
• 2.5. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu
• 2.6. Hiệu suất quang xúc tác
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nhiễu xạ tia X
• 3.2. Kết quả nhiễu đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 3.3. Kết quả chụp ảnh TEM
• 3.4. Kết quả phản xạ khuếch tán (DRS)
• 3.5. Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Vật Liệu Nano TiO2 Biến Tính Giới Thiệu Chung

Công nghệ nano đang mở ra những hướng đi mới trong việc giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng. Trong đó, vật liệu nano TiO2 với hiệu ứng quang xúc tác đầy hứa hẹn, được xem là cơ sở khoa học cho các giải pháp xử lý ô nhiễm. TiO2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất cao, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất của TiO2 nano là khả năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và chuyển đổi năng lượng mặt trời. TiO2 có bốn dạng thù hình: vô định hình, anatase, rutile và brookite. Rutile là dạng bền và phổ biến nhất, trong khi anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Các pha khác nhau này ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của vật liệu, đặc biệt là hoạt tính quang xúc tác.

1.1. Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Vật Lý của TiO2 Nano

Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxy chung. Pha rutile và anatase đều có cấu trúc tetragonal lần lượt chứa 6 và 12 nguyên tử tương ứng trên một ô đơn vị. Hình tám mặt trong rutile là không đồng đều do đó có sự biến dạng orthorhombic (hệ trực thoi) yếu. Các octahedra của anatase bị biến dạng mạnh hơn nên mức đối xứng của hệ là thấp hơn hệ trực thoi. Khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vật Liệu Nano TiO2 Trong Thực Tế

Ở kích thước nanomet, TiO2 được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như chế tạo pin mặt trời, làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự làm sạch. Với các tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt, cấu trúc bền, không độc, giá thành rẻ đã khiến TiO2 trở thành một trong những vật liệu cơ bản của ngành công nghệ nano. Các pha khác (kể cả pha ở áp suất cao) như brookite cũng có nhiều ứng dụng nhưng bị hạn chế lớn do việc điều chế brookite sạch (không lẫn rutile hoặc anatase) rất khó khăn.

II. Thách Thức và Giải Pháp Cải Thiện Hoạt Tính Quang Xúc Tác

Mặc dù vật liệu nano TiO2 có hoạt tính quang xúc tác khá mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại, nhưng hiệu suất quang xúc tác của vật liệu TiO2 tinh khiết vẫn chưa đạt được như mong muốn. Nhược điểm của vật liệu TiO2 tinh khiết là các hạt nano chỉ tiếp xúc với nhau chứ không có liên kết chặt chẽ với nhau dẫn đến hiện tượng tán xạ các electron tự do, do đó làm giảm sự di chuyển của electron. Một cách tiếp cận để tăng hiệu suất quang xúc tác của vật liệu TiO2 là biến tính với các nguyên tố kim loại hoặc phi kim đã được nghiên cứu khá nhiều. Cách tiếp cận khác là dùng chất đồng xúc tác, kỹ thuật này được dựa trên việc tạo hỗn hợp composite của TiO2 với các chất bán dẫn khác dùng chất đồng xúc tác là tiếp cận rất hiệu quả để hạn chế sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống, tăng thời gian “sống” của các hạt mang điện và tăng cường sự di chuyển electron ở bề mặt tiếp giáp với chất hấp phụ.

2.1. Hạn Chế của TiO2 Tinh Khiết và Vấn Đề Tái Tổ Hợp Điện Tử

Nhược điểm của vật liệu TiO2 tinh khiết là các hạt nano chỉ tiếp xúc với nhau chứ không có liên kết chặt chẽ với nhau dẫn đến hiện tượng tán xạ các electron tự do, do đó làm giảm sự di chuyển của electron. Điều này làm giảm hiệu quả của quá trình quang xúc tác, vì các electron và lỗ trống dễ dàng tái hợp trước khi có thể tham gia vào các phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu.

2.2. Phương Pháp Biến Tính Vật Liệu Nano TiO2 để Nâng Cao Hiệu Suất

Một cách tiếp cận để tăng hiệu suất quang xúc tác của vật liệu TiO2 là pha tạp với các nguyên tố kim loại hoặc phi kim đã được nghiên cứu khá nhiều. Cách tiếp cận khác là dùng chất đồng xúc tác, kỹ thuật này được dựa trên việc tạo hỗn hợp composite của TiO2 với các chất bán dẫn khác dùng chất đồng xúc tác là tiếp cận rất hiệu quả để hạn chế sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống, tăng thời gian “sống” của các hạt mang điện và tăng cường sự di chuyển electron ở bề mặt tiếp giáp với chất hấp phụ.

III. Phương Pháp Biến Tính TiO2 Bằng NiO và Fe2O3 Tổng Hợp

Nghiên cứu về sự tăng cường hoạt tính của TiO2 cho ứng dụng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ bằng các oxit bán dẫn còn hạn chế. Việc nghiên cứu biến tính TiO2 bằng một loại oxit trong các điều kiện, cùng mục đích xử lý một loại chất hữu cơ độc hại sẽ cho thấy sự ảnh hưởng khác nhau của các chất đồng xúc tác khác nhau đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Nghiên cứu này hướng đến mục đích chế tạo vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Vật Liệu Nano TiO2 Biến Tính NiO và Fe2O3

Trong nghiên cứu này, em hướng đến mục đích chế tạo vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài : “Tổng hợp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3”.

3.2. Vai Trò của NiO và Fe2O3 trong Cải Thiện Hoạt Tính Quang Xúc Tác

Việc biến tính TiO2 với một số kim loại hoặc phi kim hoặc các oxit bán dẫn có thể làm giảm năng lượng vùng cấm Ebg, từ đó mở rộng vùng quang xúc tác sang vùng ánh sáng khả kiến. Đồng thời việc biến tính TiO2 cũng tạo ra các bẫy đối với các electron quang sinh, ngăn cản quá trình tái kết hợp của các electron quang sinh với lỗ trống quang sinh, làm tăng thời gian sống của electron quang sinh, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO2.

IV. Phân Tích Cấu Trúc Vật Liệu Biến Tính XRD TEM EDX DRS

Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc vật liệu và tính chất của vật liệu nano TiO2 biến tính. XRD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, TEM cho phép quan sát hình thái và kích thước hạt nano, EDX xác định thành phần nguyên tố, và DRS đánh giá tính chất quang học của vật liệu.

4.1. Kết Quả Phân Tích XRD Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể Vật Liệu

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2, 0,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1,0% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 3% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 5% (NiO, Fe2O3)/TiO2 được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu.

4.2. Phân Tích TEM và EDX Hình Thái Kích Thước và Thành Phần Vật Liệu

Ảnh TEM của vật liệu nano TiO2 và vật liệu nano 5%NiO, Fe2O3/TiO2 được sử dụng để quan sát hình thái và kích thước hạt nano. Phổ EDX của mẫu TiO2 và của vật liệu 0,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 3% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 5% (NiO, Fe2O3)/TiO2 được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố.

4.3. Phổ DRS Đánh Giá Tính Chất Quang Học của Vật Liệu Biến Tính

Phổ DRS của TiO2 và x% (NiO, Fe2O3)/TiO2 được sử dụng để đánh giá tính chất quang học của vật liệu.

V. Đánh Giá Hoạt Tính Quang Xúc Tác Phân Hủy Rhodamine B

Rhodamine B được sử dụng làm chất hữu cơ độc hại điển hình để nghiên cứu trong phản ứng quang xúc tác của các vật liệu. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B của vật liệu 0,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 3% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 5% (NiO, Fe2O3)/TiO2 sau những khoảng thời gian khác nhau được đánh giá.

5.1. Cơ Chế Phân Hủy Rhodamine B Dưới Tác Dụng Quang Xúc Tác

Sự hình thành các gốc tự do HO● và O2− đóng vai trò quan trọng trong cơ chế phân hủy hợp chất hữu cơ. Trong đó gốc tự do HO● là một tác nhân oxi hóa rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxi hóa nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ cho sản phẩm phân hủy cuối cùng là CO2 và H2O.

5.2. So Sánh Hiệu Suất Quang Xúc Tác của Các Vật Liệu Biến Tính

Phổ hấp phụ phân tử của Rhodamine B ban đầu (RhB) và sau khi được xử lý quang xúc tác bởi vật liệu 0,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 1,5% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 3% (NiO, Fe2O3)/TiO2, 5% (NiO, Fe2O3)/TiO2 sau những khoảng thời gian khác nhau được so sánh.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu TiO2 Biến Tính

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3. Kết quả cho thấy việc biến tính có thể cải thiện hiệu suất quang xúc tác trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nghiên cứu các chất biến tính khác, và ứng dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Mới

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 biến tính bằng NiO và Fe2O3. Kết quả cho thấy việc biến tính có thể cải thiện hiệu suất quang xúc tác trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.

6.2. Triển Vọng Ứng Dụng và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nghiên cứu các chất biến tính khác, và ứng dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế.