Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của AgTiO2-SiO2 trong phân hủy phenol dưới ánh sáng mặt trời

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

BẢNG CHỮ CÁI VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về xúc tác quang hóa

1.2. Các vật liệu bán dẫn làm chất xúc tác quang

1.3. Vật liệu nano

1.3.1. Tính chất vật liệu nano

1.3.2. Kích thước tới hạn

1.3.3. Hiệu ứng bề mặt và khả năng xúc tác

1.3.4. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt

1.4. Vật liệu nano TiO2

1.4.1. Giới thiệu về TiO2

1.4.2. Tính chất lý - hóa của TiO2

1.4.2.1. Tính chất vật lý

1.4.2.2. Tính chất hóa học

1.4.2.3. Cấu trúc tinh thể

1.4.3. Tính chất quang xúc tác của TiO2

1.4.4. Nguyên lý cơ bản của xúc tác quang hóa dị thể

1.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang hóa TiO2

1.4.5.1. Kích thước hạt

1.4.5.2. Thù hình của TiO2

1.4.5.3. Ảnh hưởng của pH

1.4.5.4. Các tạp chất trong nước thải xử lý

1.4.6. Các biện pháp nâng cao hoạt tính quang hóa TiO2

1.4.6.1. Phương pháp điện quang

1.4.6.2. Tác nhân oxi hóa - nhận electron

1.4.6.3. Thay đổi bề mặt chất xúc tác TiO2

1.4.6.4. Đặc tính diệt khuẩn của bạc

1.4.6.5. Vai trò của nano Ag đối với xúc tác quang TiO2

1.5. Vật liệu nanocomposite Ag-TiO2-SiO2

1.5.1. Khái niệm vật liệu nanocomposite

1.5.2. Đặc tính xúc tác quang của vật liệu Ag-TiO2-SiO2

1.5.3. Sự tương tác giữa TiO2 và SiO2

1.5.4. Ảnh hưởng hiệu ứng lượng tử

1.5.5. Ưu điểm của chất xúc tác quang Ag-TiO2-SiO2

1.5.5.1. Đưa kích thước hạt TiO2 về kích thước nano

1.5.5.2. Tăng bề mặt tiếp xúc và khả năng hấp phụ

1.5.5.3. Hoạt tính cao trong vùng ánh sáng khả kiến

1.6. Phƣơng pháp tổng hợp chất xúc tác

1.6.1. Phương pháp kết tủa

1.6.2. Phương pháp sol-gel

1.6.3. Phương pháp vi nhũ và vi nhũ đảo

1.6.4. Phương pháp thủy nhiệt

1.6.5. Phương pháp dung nhiệt

1.6.6. Phương pháp sóng âm hóa học

1.7. Một số phương pháp xử lý hợp chất phenol trong nước thải

1.8. Cơ chế phân hủy phenol bằng xúc tác quang TiO2

2. CHƢƠNG 2 - NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Tổng quan tài liệu

2.2. Tổng hợp vật liệu

2.3. Đánh giá hoạt tính chất xúc tác quang

2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu

2.4.1. Phân tích nhiệt trọng lượng

2.4.2. Nhiễu xạ tia X

2.4.3. Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier

2.4.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X

2.4.5. Hiển vi điện tử quét

2.4.6. Hiển vi điện tử truyền qua

2.4.7. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng

2.4.8. Phổ phản xạ khuếch tán UV-DRS

2.4.9. Quang phổ hấp thụ UV-Vis

2.5. Hóa chất và thiết bị

2.5.1. Dụng cụ và thiết bị

2.6. Tổng hợp TiO2-SiO2

2.7. Tổng hợp Ag-TiO2-SiO2

2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

2.8.1. Tỉ lệ phần khối lượng giữa TiO2:SiO2

2.8.2. Thời gian nung

2.8.3. Hàm lượng bạc biến tính

2.9. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang

2.9.1. Mô hình khảo sát hoạt tính quang

2.9.2. Phương pháp phân tích phenol

2.9.2.1. Theo phương pháp UV-Vis

2.9.2.2. Theo phương pháp HPLC

2.9.3. Xây dựng đường chuẩn phenol

2.9.4. Phân tích mẫu bằng phương pháp UV-Vis

2.9.5. Phân tích mẫu bằng phương pháp HPLC

2.10. Khảo sát quá trình hấp phụ phenol

2.10.1. Khảo sát thời thời gian cân bằng hấp phụ

2.10.2. Xây dựng mô hình hấp phụ phenol

2.10.3. Động học quá trình hấp phụ

2.11. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang

2.12. Xác định điểm đẳng điện của chất xúc tác (pHzc)

2.13. Tái sử dụng của chất xúc tác

2.14. Đánh giá độ khoáng hóa của chất xúc tác

3. CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tổng hợp vật liệu Ag-TiO2-SiO2

3.1.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ TiO2:SiO2

3.1.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung

3.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian nung

3.1.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng Ag-doped

3.2. Khảo sát quá trình hấp phụ của chất xúc tác quang A4TS10

3.2.1. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt

3.2.2. Động học hấp phụ

3.2.2.1. Động học hấp phụ bậc 1

3.2.2.2. Động học hấp phụ bậc 2

3.2.3. Động học phản ứng phân hủy phenol

3.3. Khảo sát tính chất của chất xúc tác quang TiO2, TS10 VÀ A4TS10

3.3.1. Phân tích cấu trúc

3.3.1.1. Phân tích XRD

3.3.1.2. Phân tích phổ FT-IR

3.3.1.3. Phân tích EDX

3.3.1.4. Năng lượng vùng cấm và diện tích bề mặt riêng

3.3.2. Phân tích hình thái vật liệu

3.4. Khảo sát hoạt tính quang hóa phân hủy phenol của các chất xúc tác

3.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính quang hóa A4TS10

3.5.1. Nồng độ dung dịch phenol ban đầu

3.5.2. Ảnh hưởng nồng độ chất xúc tác

3.5.3. Thời gian quang hóa phenol

3.5.4. Điểm đẳng điện

3.5.5. Ảnh hưởng pH

3.5.6. Các tác nhân nhận electron

3.5.7. Phân hủy các chất hữu cơ

3.5.8. Khả năng tái sử dụng của chất xúc tác

3.5.9. Khả năng khoáng hóa và cơ chế phản ứng xúc tác quang A4TS10

3.5.9.1. Quá trình khoáng hóa

3.5.9.2. Cơ chế phản ứng quang của chất xúc tác A4TS10

4. CHƢƠNG 4 – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU KHAM THẢO

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

I. Tổng quan về quang xúc tác

Quang xúc tác là một quá trình sử dụng ánh sáng để kích hoạt phản ứng hóa học, thường được áp dụng trong việc phân hủy các chất ô nhiễm trong môi trường. Trong nghiên cứu này, AgTiO2-SiO2 được tổng hợp và khảo sát nhằm nâng cao hoạt tính quang trong việc phân hủy phenol dưới ánh sáng mặt trời. TiO2 là một trong những chất xúc tác quang phổ biến nhất nhờ vào tính chất thân thiện với môi trường và khả năng oxy hóa cao. Tuy nhiên, TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV. Do đó, việc kết hợp với SiO2 và Ag nhằm cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến là cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc và tính chất của vật liệu mà còn đánh giá hiệu suất phân hủy phenol, từ đó mở ra hướng đi mới trong xử lý ô nhiễm môi trường.

II. Phương pháp tổng hợp và khảo sát vật liệu

Chất xúc tác AgTiO2-SiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel kết hợp với phương pháp thủy nhiệt. Các yếu tố như tỉ lệ khối lượng SiO2/TiO2, nhiệt độ nung và thời gian nung được khảo sát để tối ưu hóa quá trình tổng hợp. Phân tích cấu trúc của vật liệu được thực hiện thông qua các phương pháp như XRD, FT-IR, và SEM. Kết quả cho thấy, chất xúc tác A4TS10 (tỉ lệ khối lượng Ag:TiO2 = 4% và TiO2:SiO2 = 90:10) có cấu trúc đồng nhất với đường kính hạt khoảng 20 nm và diện tích bề mặt riêng đạt 218 m2/g. Điều này cho thấy sự cải thiện đáng kể trong khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu, mở ra khả năng ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm.

III. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác

Hoạt tính quang xúc tác của AgTiO2-SiO2 được đánh giá thông qua hiệu suất phân hủy phenol trong điều kiện chiếu xạ bằng đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời. Kết quả cho thấy, chất xúc tác A4TS10 đạt hiệu suất phân hủy phenol lên đến 69% trong 6 giờ dưới ánh sáng mô phỏng và 82% trong 3 giờ dưới ánh sáng mặt trời. Các yếu tố như nồng độ dung dịch phenol, hàm lượng chất xúc tác và thời gian quang hóa đều có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phân hủy. Nghiên cứu này khẳng định rằng AgTiO2-SiO2 có tiềm năng lớn trong việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, đặc biệt là phenol, nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và hoạt tính quang hóa cao.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về hoạt tính quang xúc tác của AgTiO2-SiO2 không chỉ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và tính chất của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cho quá trình phân hủy phenol là một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc tối ưu hóa tỉ lệ khối lượng giữa các thành phần trong vật liệu có thể nâng cao đáng kể hiệu suất quang xúc tác. Điều này có thể được áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Luận văn thạc sĩ về hoạt tính quang xúc tác AgTiO2-SiO2 trong phân hủy phenol dưới ánh sáng mặt trời