MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài:. Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. VẬT LIỆU ZnO .1 Chế tạo thanh nano ZnO bằng cách sử dụng hỗn hợp lớp hạt của các hạt nano ZnO và Polyme Chitosan .2 Chế tạo ống nano ZnO bằng phƣơng pháp hóa ƣớt ở nhiệt độ thấp.
TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN ZnO. Tính chất quang xúc tác của các cấu trúc dị thể dựa trên ZnO. Tính chất xúc tác quang của cấu trúc ZnO pha tạp. CƠ CHẾ QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU ZnO.
19 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnO XỬ LÝ H2. QUY TRÌNH KHẢO SÁT HIỆU ỨNG XÚC TÁC QUANG .3 CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU. Phép đo nhiễu xạ tia X.
Chụp ảnh hiển vi điện tử quét. Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến. Phƣơng pháp phổ hấp thụ UV-Vis. Phƣơng pháp phổ huỳnh quang.
30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. TÍNH CHẤT HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC VẬT LIỆU:. Kết quả đo SEM. Kết quả đo XRD.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU. Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu. Kết quả đo phổ huỳnh quang. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MB.
HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC. 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 49 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Cụm từ tiếng anh Nghĩa tiếng việt viết tắt SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Tia tử ngoại UV-Vis Ultraviolet - visible Tia tử ngoại – ánh sáng khả kiến XRD X- ray difractinon Phổ nhiễu xạ tia X PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang CB Conduction Bands Vùng dẫn VB Valence band Vùng hóa trị Eg Band gap energy Năng lƣợng vùng cấm O2- Superoxide ion radical Ion gốc siêu oxit OH• Hydroxyl radical Gốc hydroxyl MB Methylen blue Xanh mê ty len ZnO Zinc oxide Oxit kẽm HR TEM High-resolution Transmission Kính hiển vi điện tử truyền qua Electron Microscopy có độ phân giải cao EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lƣợng spectroscopy. TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy UV-Vis Ultraviolet-Visible Diffuse Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại DRS Reflectance DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mô hình cấu trúc ZnO .2 Mô hình cấu trúc Wurtzite ZnO .3 Phổ XRD của các thanh nano ZnO đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch sử dụng mầm hạt nano ZnO và chitosan với lƣợng hạt nano ZnO khác nhau .4 Hình ảnh FESEM của các thanh nano ZnO đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch sử dụng chitosan với các lƣợng hạt nano ZnO khác nhau .5 Hình ảnh HRTEM của thanh nano ZnO đƣợc chế tạo sử dụng mầm ZnO có trong dung dịch chitosan .6 Mẫu XRD của ống nano ZnO đƣợc điều chế ở nhiệt độ thấp .7 Ảnh FESEM; TEM ; SAED ; HRTEM của ống nano ZnO .8 Cơ chế chia tách hạt tải trong cấu trúc ZnO/TiO2xNy .9 Các quá trình xảy ra trên bề mặt vật liệu ZnO dƣới tác dụng của ánh sáng xúc tác.
Hình ảnh các tiền chất ban đầu. Một số hỉnh ảnh về quá trình khuấy trộn dung dịch. Hình ảnh ủ nhiệt dung dịch. Hình ảnh quay li tâm tách nƣớc khỏi vật liệu.
Hình ảnh vật liệu ZnO sau khi sấy khô. Một số dụng cụ, thiết bị nung ủ vật liệu ZnO trong môi trƣờng hydro. Vật liệu ZnO sau khi ủ trong môi trƣờng Hydro ở các nhiệt độ khác nhau. Hình ảnh quá trình phân tán ZnO vào trong dung dịch MB.
Hình ảnh sản phẩm sau khi quay ly tâm tách bột H-ZnO ủ trong môi trƣờng Hydro ở nhiệt độ 400C ra khỏi dung dịch MB đã đƣợc chạy xúc tác quang bằng đèn led xanh dƣơng. Hình ảnh quá trình khảo sát hiệu ứng xúc tác quang. Hình ảnh sản phẩm sau khi quay ly tâm tách bột H-ZnO ủ trong môi trƣờng Hydro ở nhiệt độ 400C ra khỏi dung dịch MB đã đƣợc chạy xúc tác quang bằng tia UV. Quá trình đo phổ hấp thụ UV-Vis .1 Ảnh SEM của các mẫu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) với độ phóng đại 60k .2 Ảnh SEM của các mẫu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) với độ phóng đại 20k .3 Phổ XRD của các mẫu ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, H- ZnO/450 và H-ZnO/500 .4 Phổ hấp thụ UV-Vis của các vật liệu ZnO, H-ZnO/350, H- ZnO/400, H-ZnO/450 và H-ZnO/500 .5 Bờ hấp thụ của các vật liệu ZnO (a), H-ZnO/350 (b), H-ZnO/400 (c), H-ZnO/450 (d) và H-ZnO/500 (e) .6 Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 và H-ZnO/500 .7 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis của MB sau thời gian khuấy 30 phút trong bóng tối trong các trƣờng hợp có và không có các vật liệu xúc tác ZnO, H-ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 và H- ZnO/500; (b) Khả năng hấp phụ MB của các mẫu ZnO, H- ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 và H-ZnO/500 .8 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả sự suy giảm nồng độ của dung dịch MB bởi các chất xúc tác dƣới tác dụng của tia tử ngoại UV 254 nm của các mẫu ZnO và H-ZnO/350 .9 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả sự suy giảm nồng độ của dung dịch MB bởi các chất xúc tác dƣới tác dụng của tia tử ngoại UV 254 nm của các mẫu H-ZnO/400, H-ZnO/450 và H-ZnO/500 .10 (a) Sự thay đổi nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ UV thu đƣợc từ các phổ UV-Vis và (b) Đồ thị biểu diễn động học của quá trình phân hủy MB theo thời gian của các mẫu ZnO, H- ZnO/350, H-ZnO/400, H-ZnO/450 và H-ZnO/500 .11 Phổ hấp thụ UV-Vis mô tả sự suy giảm nồng độ của dung dịch MB sử dụng chất xúc tác ZnO (a) và H-ZnO/400 (b) dƣới ánh sáng nhìn thấy dùng đèn Led xanh dƣơng.12 Đồ thị biểu diễn động học của quá trình phân hủy MB theo thời gian sử dụng chất xúc tác ZnO (a) và H-ZnO/400 (b) dƣới ánh sáng nhìn thấy dùng đèn Led xanh dƣơng.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Trong những năm gần đây, việc thực hiện cải tạo và tái sử dụng nƣớc đang đƣợc toàn thế giới quan tâm nhanh chóng do tình trạng khan hiếm nƣớc xảy ra do biến đổi khí hậu và quản lý tài nguyên nƣớc kém. Tiếp cận nƣớc sạch đang trở thành một vấn đề ngày càng gia tăng trong một nền kinh tế toàn cầu đang mở rộng và các quốc gia đông dân [1]. Một trong những giải pháp hấp dẫn để ứng phó với các vấn đề về nƣớc là thực hiện các dự án cải tạo và tái sử dụng nƣớc thải để đảm bảo quản lý và phát triển nƣớc bền vững. Tuy nhiên, những lo ngại vẫn nảy sinh do thực tế là các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy vẫn có thể tồn tại trong nƣớc đã qua xử lý.
Các chất ô nhiễm hữu cơ là các chất hóa học gốc carbon có khả năng hủy hoại môi trƣờng và liên tục đƣợc thải ra môi trƣờng. Các chất ô nhiễm hữu cơ có thể gây hại nghiêm trọng cho con ngƣời và động vật vì khả năng phân hủy sinh học kém và các đặc tính gây ung thƣ trong tự nhiên. Các công nghệ xử lý tiên tiến là rất quan trọng để đảm bảo rằng nƣớc thu hồi không có chất hữu cơ khó phân huỷ. Các kỹ thuật xử lý nƣớc khác nhau đã đƣợc sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khỏi các dòng nƣớc bao gồm hấp phụ, tách màng và đông tụ [2]; tuy nhiên các quá trình này chỉ cô đặc hoặc thay đổi các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy từ nƣớc sang pha rắn.
Do đó, cần phải có thêm chi phí và phƣơng pháp xử lý để xử lý các chất ô nhiễm thứ cấp và tái tạo các chất hấp phụ [3]. Vì lý do này, các quá trình oxy hóa nâng cao đã đƣợc đề xuất để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, đặc biệt là đối với những chất có khả năng phân hủy sinh học thấp. Quá trình oxy hóa là một quá trình liên quan đến việc tạo ra tại chỗ các chất oxy hóa hóa học mạnh với sự hỗ trợ của ozone (O3), hydrogen peroxide (H2O2), thuốc thử Fenton, tia UV 2 hoặc chất xúc tác. Các gốc hydroxyl (OH) đƣợc tạo ra là chất oxy hóa mạnh có khả năng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dễ ăn mòn.
Quá trình oxy hóa mang lại một số ƣu điểm nhƣ: (i) tốc độ phân hủy nhanh, (ii) khoáng hóa các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm xanh, (iii) khả năng hoạt động dƣới nhiệt độ và áp suất môi trƣờng, và (iv) giảm độc tính của các hợp chất hữu cơ [4]. Các cơ chế quá trình oxy hóa có thể đƣợc phân loại là xúc tác quang đồng nhất hoặc không đồng nhất. Xúc tác quang đồng nhất sử dụng thuốc thử Fenton (là hỗn hợp của H2O2 và muối Fe2+) để tạo ra các gốc hydroxyl (OH) dƣới sự chiếu xạ của tia UV ở bƣớc sóng trên 300 nm [5]. Ngƣợc lại, xúc tác quang không đồng nhất sử dụng các oxit bán dẫn làm chất xúc tác quang.
Trong số các chất bán dẫn, titanium dioxide (TiO2) là hợp chất đƣợc nghiên cứu nhiều nhất trong nhiều thập kỷ qua. Do chi phí sản xuất thấp và độ ổn định hóa học tốt, nó đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong quá trình phân hủy quang hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, việc ứng dụng TiO2 bằng năng lƣợng mặt trời bị hạn chế nhiều bởi độ rộng vùng cấm lớn (3,2 eV) và hiệu suất lƣợng tử thấp [6]. So với TiO2, ZnO là một oxit bán dẫn loại n nhƣng vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu kỹ trong các nghiên cứu trƣớc đây.
ZnO đã đƣợc đề xuất nhƣ một chất xúc tác quang thay thế cho TiO2 vì nó có cùng năng lƣợng vùng cấm nhƣng thể hiện hiệu suất hấp thụ cao hơn trên một phần lớn quang phổ mặt trời khi so sánh với TiO2 [7]. Gần đây, ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu về việc chế tạo và nghiên cứu chất xúc tác quang dựa trên vật liệu ZnO do những ƣu điểm của quá trình xúc tác quang. Việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác dựa trên vật liệu ZnO đã đƣợc thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ (1) pha tạp bởi các nguyên tử kim loại hoặc phi kim, (2) biến tính bề mặt, (3) kết cặp với các bán dẫn khác và (4) kết cặp với vật liệu nanocarbon.