Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 và ứng dụng quang hóa trong phân hủy methyl da cam

• Tác giả: Lê Trọng Chinh
• Người hướng dẫn: GVHD: Võ Thị Thu Như
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Nano TiO2 Bằng Phương Pháp Chiếu Xạ Và Ứng Dụng Trong Phân Hủy Methyl Da Cam
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về TiO2
• 1.2. Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của TiO2
• 1.3. Ứng dụng của TiO2
• 1.4. Cơ chế quang xúc tác của TiO2
• 1.5. Các ưu nhược điểm của quang xúc tác TiO2
• 1.6. Các phương pháp biến tính vật liệu TiO2
• 1.6.1. Phương pháp vật lý
• 1.6.2. Phương pháp hóa học
• 1.6.3. Biến tính bằng kim loại hoặc phi kim
• 1.6.3.1. Biến tính với phi kim
• 1.6.3.2. Biến tính với kim loại
• 1.6.3.3. Đồng biến tính
• 1.6.3.4. Biến tính bề mặt
• 1.7. Phương pháp chiếu xạ
• 1.8. Các loại tia bức xạ
• 1.9. Nguyên tắc của phương pháp chiếu xạ
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Điều chế vật liệu
• 2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ sử dụng
• 2.3. Quy trình điều chế vật liệu
• 2.4. Cơ sở khoa học của quá trình chế tạo vật liệu Pt/TiO2
• 2.5. Các phương pháp xác định đặc tính của vật liệu
• 2.5.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction-XRD)
• 2.5.2. Phổ tử ngoại-khả kiến
• 2.5.3. Phổ khuếch tán phản xạ năng lượng tia X
• 2.6. Khảo sát thực nghiệm hiệu quả quang xúc tác của vật liệu Pt/TiO2 bằng phương pháp trắc quang
• 2.7. Xây dựng đường chuẩn dung dịch methyl da cam
• 2.8. Thí nghiệm khảo sát hiệu quả xúc tác quang hóa của vật liệu
• 2.8.1. Thí nghiệm khảo sát hiệu quả phân hủy methyl da cam của vật liệu theo thời gian
• 2.8.2. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy methyl da cam
• 2.8.3. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ methyl da cam đến hiệu suất phân hủy methyl da cam
• 2.8.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu
• 3.2. Ảnh SEM và giản đồ EDX
• 3.3. Năng lượng vùng cấm
• 3.4. Khảo sát hiệu quả quang xúc tác phân hủy methyl da cam của vật liệu Pt/TiO2
• 3.4.1. Khảo sát hiệu quả phân hủy methyl da cam của vật liệu Pt/TiO2 theo thời gian
• 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy methyl da cam
• 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ methyl da cam đến hiệu suất phân hủy methyl da cam
• 3.4.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3.5. Cơ chế phân hủy methyl da cam của vật liệu Pt/TiO2
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu nano TiO2

Vật liệu nano TiO2 là một trong những chất xúc tác quang hóa phổ biến nhất hiện nay. Với cấu trúc tinh thể đa dạng, bao gồm các pha rutile, anatase và brookite, TiO2 có nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường. Đặc biệt, TiO2 có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như methyl da cam nhờ vào cơ chế quang xúc tác. Nghiên cứu cho thấy, TiO2 có hoạt tính xúc tác cao, ổn định hóa học và không độc hại, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong xử lý nước và không khí. Việc chế tạo vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp chiếu xạ không chỉ giúp cải thiện tính chất quang xúc tác mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1 Cấu trúc và tính chất của TiO2

Cấu trúc tinh thể của TiO2 được hình thành từ các đa diện phối trí TiO6, với các pha rutile và anatase có cấu trúc tứ giác. Các tính chất vật lý của TiO2 như độ cứng, khả năng chịu nhiệt và tính ổn định hóa học làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Đặc biệt, TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn, điều này hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, một yếu tố quan trọng trong quá trình quang xúc tác. Việc biến tính TiO2 bằng kim loại hoặc phi kim có thể làm giảm bề rộng vùng cấm, từ đó cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu quả quang xúc tác.

II. Phương pháp chiếu xạ trong chế tạo vật liệu nano

Phương pháp chiếu xạ là một trong những kỹ thuật hiệu quả để chế tạo vật liệu nano TiO2. Sử dụng tia gamma từ nguồn γCo-60, quá trình chiếu xạ giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất quang học cải thiện. Nghiên cứu cho thấy, việc chiếu xạ không chỉ làm tăng diện tích bề mặt của TiO2 mà còn tạo ra các vị trí hoạt động mới, giúp tăng cường khả năng xúc tác quang hóa. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, TiO2 được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ có hiệu suất phân hủy methyl da cam cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp chiếu xạ là một lựa chọn tiềm năng trong việc phát triển các vật liệu nano cho ứng dụng môi trường.

2.1 Nguyên tắc của phương pháp chiếu xạ

Nguyên tắc của phương pháp chiếu xạ dựa trên việc sử dụng bức xạ ion hóa để kích thích các nguyên tử trong vật liệu. Khi TiO2 được chiếu xạ, các electron trong cấu trúc tinh thể sẽ bị kích thích, tạo ra các lỗ trống và electron tự do. Những lỗ trống này có khả năng oxy hóa mạnh, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ như methyl da cam. Quá trình này không chỉ làm tăng hiệu quả quang xúc tác mà còn tạo ra các sản phẩm phân hủy an toàn cho môi trường. Việc tối ưu hóa các điều kiện chiếu xạ như thời gian và cường độ bức xạ là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong việc chế tạo vật liệu nano TiO2.

III. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2 trong phân hủy methyl da cam

Vật liệu nano TiO2 sau khi chế tạo có khả năng ứng dụng mạnh mẽ trong việc phân hủy methyl da cam, một hợp chất hữu cơ độc hại. Nghiên cứu cho thấy, TiO2 có thể phân hủy methyl da cam hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời nhờ vào cơ chế quang xúc tác. Các yếu tố như thời gian chiếu sáng, nồng độ methyl da cam và hàm lượng vật liệu đều ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tăng hàm lượng TiO2, hiệu suất phân hủy methyl da cam cũng tăng lên đáng kể. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu quả cao nhất trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

3.1 Hiệu quả quang xúc tác của vật liệu Pt TiO2

Vật liệu Pt/TiO2 được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ cho thấy hiệu quả quang xúc tác vượt trội trong việc phân hủy methyl da cam. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu này có khả năng phân hủy methyl da cam cao hơn so với TiO2 thông thường. Sự hiện diện của Pt trong cấu trúc TiO2 giúp giảm năng lượng vùng cấm, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Các thí nghiệm cho thấy, hiệu suất phân hủy methyl da cam có thể đạt tới 90% trong điều kiện tối ưu, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý ô nhiễm nước.