Nghiên cứu biến tính TiO2 bằng Mangan ứng dụng trong phản ứng quang hóa xúc tác ánh sáng khả kiến

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. QUÁ TRÌNH QUANG HÓA XÚC TÁC BÁN DẪN

1.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TiO2

1.3. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1.4. TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA TiO2

1.5. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG

1.6. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

1.7. CÁC NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH ĐỂ NÂNG CAO ỨNG DỤNG XÚC TÁC CỦA TiO2

1.7.1. Biến tính bởi nguyên tố Kim loại

1.7.2. Các vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi nguyên tố không kim loại

1.7.3. Các vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi hỗn hợp

1.8. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TiO2

1.8.1. Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường

1.8.2. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, vật liệu tự làm sạch và chất cheo

1.8.3. Xử lý các ion kim loại nặng trong y học

1.9. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ XÚC TÁC - PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

1.10. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HỆ VẬT LIỆU

1.10.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

1.10.2. Phương pháp hồng ngoại (IR)

1.10.3. Phép đo diện tích bề mặt hấp phụ khí Brunauer — Emmett — Teller

1.10.4. Phương pháp phổ hấp thụ UV-VIS

1.10.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope)

1.10.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán (DRS)

1.10.7. Phương pháp đo phổ Raman

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ

2.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.2.1. Tổng hợp vật liệu tổ hợp Mn-TiO2

2.2.2. Quy trình thí nghiệm

2.2.3. Thuyết minh quy trình thí nghiệm

2.2.4. Thử nghiệm hoạt tính xúc tác quang của các hệ vật liệu đã tổng hợp

2.2.5. Sơ đồ thí nghiệm

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỂN LUẬN

3.1. QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA TiO2 THÀNH DẠNG DẺ TAN

3.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ TiO2 : NaOH đến quá trình điều chế TiSO4

3.1.2. Lập đường chuẩn xác định hàm lượng TT

3.2. ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA VẬT LIỆU

3.2.1. Phân tích nhiệt khối lượng TGA

3.2.2. Diện tích bề mặt

3.2.3. Phổ phản xạ khuếch tán DRS

3.2.4. Phổ hồng ngoại IR

3.2.5. Kết quả đo phổ Raman

3.2.6. Kết quả chụp SEM

3.3. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU

3.3.1. Lập đường chuẩn xác định nồng độ MB

3.3.2. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ nung tới hoạt tính xúc tác

3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng và nồng độ dung dịch MB

3.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất Mn:Ti đến hoạt tính xúc tác quang của hệ vật liệu

3.3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác

3.3.6. Ảnh hưởng của nguồn sáng đến hoạt tính xúc tác

3.3.7. Phổ UV-Vis khi phân hủy MB

4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

I. Giới thiệu về TiO2 và Mangan

TiO2 là một vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng quang hóa xúc tác nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng UV. Tuy nhiên, TiO2 có năng lượng vùng cấm lớn (3.2 eV), chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng UV. Mangan là một kim loại chuyển tiếp có khả năng biến tính TiO2, giúp giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng phạm vi hoạt động sang vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính TiO2 bằng Mangan để nâng cao hiệu quả xúc tác ánh sáng khả kiến.

1.1. Cấu trúc và tính chất của TiO2

TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: rutile, anatase và brookite. Rutile là dạng bền nhất, trong khi anatase và brookite là các dạng giả bền. TiO2 có cấu trúc tinh thể dạng bát diện, với mỗi ion Ti được bao quanh bởi sáu ion O. Tính chất vật lý của TiO2 bao gồm độ cứng cao, khó nóng chảy và khả năng hấp thụ ánh sáng UV mạnh.

1.2. Vai trò của Mangan trong biến tính TiO2

Mangan là kim loại chuyển tiếp có khả năng thay thế một phần Ti trong mạng tinh thể TiO2, giúp giảm năng lượng vùng cấm và mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Sự có mặt của Mangan cũng làm giảm tốc độ tái kết hợp của các cặp electron-lỗ trống, tăng cường hiệu quả quang hóa xúc tác.

II. Phương pháp biến tính TiO2 bằng Mangan

Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp hệ vật liệu Mn-TiO2. Quá trình này bao gồm việc kết tủa đồng thời các ion Mn và Ti từ dung dịch muối, sau đó sấy khô và nung ở nhiệt độ cao. Kết quả thu được là vật liệu Mn-TiO2 dạng bột màu nâu, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hoạt tính xúc tác quang hóa cao.

2.1. Quy trình tổng hợp Mn TiO2

Quy trình tổng hợp Mn-TiO2 bắt đầu bằng việc hòa tan các muối MnSO4 và Ti(SO4)2 trong dung dịch nước. Dung dịch được điều chỉnh pH đến 8 để tạo kết tủa. Kết tủa được lọc, rửa sạch, sấy khô và nung ở 700°C trong 3 giờ. Kết quả thu được là vật liệu Mn-TiO2 có cấu trúc tinh thể và tính chất hóa lý được xác định bằng các phương pháp phân tích như XRD, FTIR, SEM và BET.

2.2. Đặc tính hóa lý của Mn TiO2

Các phân tích XRD và FTIR cho thấy sự hình thành liên kết Ti-O-Mn trong vật liệu Mn-TiO2. Phổ DRS chứng minh rằng Mangan đã làm giảm năng lượng vùng cấm của TiO2 từ 3.82 eV xuống còn 2.8 eV, mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Kết quả SEM cho thấy cấu trúc bề mặt của vật liệu có độ xốp cao, tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác quang hóa.

III. Ứng dụng của Mn TiO2 trong phản ứng quang hóa

Vật liệu Mn-TiO2 được ứng dụng trong các phản ứng quang hóa xúc tác để phân hủy các chất hữu cơ độc hại như methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy MB của Mn-TiO2 đạt 90%, cao hơn nhiều so với TiO2 thuần (P25-Degussa).

3.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang hóa

Hoạt tính xúc tác quang hóa của Mn-TiO2 được khảo sát thông qua phản ứng phân hủy MB dưới ánh sáng LED (λ = 460 nm). Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy MB tăng lên đáng kể khi sử dụng Mn-TiO2 so với TiO2 thuần. Các yếu tố như pH, nhiệt độ nung và tỷ lệ Mn:Ti cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất phản ứng.

3.2. Ứng dụng thực tế của Mn TiO2

Vật liệu Mn-TiO2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ độc hại. Khả năng hoạt động dưới ánh sáng khả kiến giúp tận dụng nguồn năng lượng mặt trời, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

Luận Văn Thạc Sĩ: Biến Tính TiO2 Bằng Mangan Ứng Dụng Trong Phản Ứng Quang Hóa Xúc Tác Ánh Sáng Khả Kiến