Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu khung hữu cơ kim loại MIL88B-Fe bằng phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang hóa khung hữu cơ kim loại (MOFs)

1.2. Lịch sử hình thành và phát triển

1.3. Cơ chế xúc tác quang hóa dị thể của vật liệu MOFs−Fe

1.4. Tổng quan về vật liệu MIL−88B(Fe)

1.5. Đặc điểm cấu trúc MIL−88B(Fe)

1.6. Cơ chế quang xúc tác của MIL−88B(Fe)

1.7. Tổng quan về vật liệu biến tính Fe−MOFs

1.8. Đặc điểm cấu trúc vật liệu biến tính M/Fe-MOFs

1.9. Ứng dụng của vật liệu biến tính M/Fe−MOF làm xúc tác quang phân hủy chất màu hữu cơ

1.10. Các phương pháp tổng hợp vật liệu MIL−88B(Fe) và biến tính Fe−MOFs

1.11. Mục tiêu nghiên cứu

2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nội dung nghiên cứu

2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất thí nghiệm

2.2.1. Dụng cụ sử dụng

2.2.2. Thiết bị sử dụng

2.2.3. Hoá chất sử dụng

2.3. Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR: Fourier Transform Infrared spectroscopy)

2.3.3. Phương pháp quang phổ Raman

2.3.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET)

2.3.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.3.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.3.7. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (Ultra Violet-Visible, UV-Vis)

2.3.8. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis DRS

2.3.9. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS)

2.4. Quy trình thực nghiệm

2.4.1. Tổng hợp vật liệu MIL−88B(Fe)

2.4.2. Tổng hợp vật liệu Ni/Fe−MOF x% (x là 5, 10, 30 và 50)

2.4.3. Tổng hợp vật liệu M/Fe−MOF (M là Mg, Sn và Al)

2.4.4. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa

2.4.5. Đánh giá cơ chế xúc tác quang hóa

2.4.6. Ký hiệu mẫu đã tổng hợp

2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu MIL−88B(Fe)

3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian tổng hợp

3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp

3.1.3. Ảnh hưởng của công suất MW tổng hợp

3.2. Các tính chất đặc trưng của vật liệu MIL−88B(Fe)_60_100_300

3.2.1. Giản đồ quang phổ Raman

3.2.2. Giản đồ quang phổ FT-IR

3.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET)

3.2.4. Phổ UV-Vis DRS

3.2.5. Giản đồ phổ XPS

3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng tỷ lệ Ni2+/Fe3+ đến quá trình biến tính Ni/Fe−MOF

3.3.1. Giản đồ XRD của Ni/Fe−MOF ở các tỷ lệ khác nhau

3.3.2. Giản đồ phổ Raman của Ni/Fe−MOF ở các tỷ lệ khác nhau

3.3.3. Giản đồ FTIR của Ni/Fe−MOF ở các tỷ lệ khác nhau

3.3.4. Ảnh SEM của vật liệu biến tính Ni/Fe−MOF ở các tỷ lệ khác nhau

3.3.5. Giản đồ UV-Vis DRS của vật liệu Ni/Fe−MOF_10

3.3.6. Giản đồ phổ XPS của vật liệu Ni/Fe−MOF_10

3.4. Vật liệu biến tính lưỡng kim M/Fe−MOF (M là Mg, Sn và Al)

3.4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của M/Fe−MOF

3.4.2. Giản đồ quang phổ Raman của M/Fe−MOF

3.4.3. Giản đồ quang phổ FT-IR của M/Fe−MOF

3.4.4. Ảnh SEM và TEM của M/Fe−MOF

3.4.5. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitrogen (BET) của M/Fe−MOF

3.4.6. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis DRS của M/Fe−MOF

3.4.7. Giản đồ phổ XPS của M/Fe−MOF (Mg/Fe−MOF và Sn/Fe−MOF)

3.5. Phản ứng hấp phụ màu Rhodamine B (RhB)

3.6. Phản ứng xúc tác quang hóa phân hủy màu Rhodamine B (RhB)

3.6.1. Khảo sát hiệu quả xúc tác của MIL−88B(Fe) ở điều kiện khác nhau

3.6.2. Khảo sát hiệu quả xúc tác của các vật liệu biến tính Ni/Fe−MOF

3.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác của Ni/Fe−MOF_10

3.6.4. Cơ chế phản ứng quang hóa của Ni/Fe−MOF_10

3.6.5. Tính dị thể và khả năng tái sử dụng của Ni/Fe−MOF_10

3.6.6. Phản ứng phân hủy màu MB, MO và CV của Ni/Fe−MOF_10

3.6.7. Phản ứng phân hủy RhB của M/Fe−MOF (M là Mg, Sn và Al)

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan về nghiên cứu tổng hợp vật liệu khung hữu cơ kim loại MIL88B Fe

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hóa học vật liệu. MIL88B-Fe là một trong những MOFs nổi bật, được biết đến với khả năng xúc tác quang hóa hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và biến tính MIL88B-Fe bằng phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng, nhằm cải thiện tính chất xúc tác của vật liệu.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu MIL88B Fe

MIL88B-Fe có cấu trúc đặc trưng với các liên kết kim loại và hữu cơ, tạo ra một mạng lưới xốp. Cấu trúc này cho phép vật liệu hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao khả năng xúc tác quang hóa.

1.2. Ứng dụng của MIL88B Fe trong xúc tác quang hóa

MIL88B-Fe được ứng dụng rộng rãi trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc nhuộm Rhodamin B. Khả năng xúc tác của vật liệu này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm.

II. Thách thức trong việc cải thiện tính chất vật liệu MIL88B Fe

Mặc dù MIL88B-Fe có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn trong việc cải thiện hiệu suất xúc tác. Một trong những vấn đề chính là sự tái tổ hợp nhanh chóng của cặp electron-lỗ trống, dẫn đến giảm hiệu quả xúc tác.

2.1. Vấn đề tái tổ hợp electron lỗ trống

Sự tái tổ hợp này làm giảm khả năng tạo ra các gốc tự do cần thiết cho phản ứng phân hủy. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp để giảm thiểu hiện tượng này là rất cần thiết.

2.2. Giải pháp cải thiện hiệu suất xúc tác

Một trong những giải pháp là biến tính MIL88B-Fe bằng cách thay thế một phần ion Fe3+ bằng các ion kim loại khác, nhằm tạo ra các mức năng lượng mới giúp giảm năng lượng vùng cấm.

III. Phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng đã được áp dụng để tổng hợp MIL88B-Fe với nhiều ưu điểm vượt trội. Phương pháp này không chỉ rút ngắn thời gian tổng hợp mà còn nâng cao hiệu suất và chất lượng của vật liệu.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp dung nhiệt

Phương pháp dung nhiệt sử dụng năng lượng vi sóng để làm nóng nhanh chóng dung dịch tổng hợp, giúp tăng tốc độ phản ứng và cải thiện tính đồng nhất của sản phẩm.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng vi sóng trong tổng hợp

Vi sóng giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, đồng thời nâng cao độ tinh khiết và hiệu suất của vật liệu tổng hợp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của vật liệu biến tính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính MIL88B-Fe bằng các ion kim loại khác đã cải thiện đáng kể hiệu suất xúc tác quang hóa. Kết quả cho thấy vật liệu biến tính Ni/Fe-MOF đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 96% sau 120 phút chiếu sáng.

4.1. Hiệu suất phân hủy của vật liệu biến tính

Các thí nghiệm cho thấy rằng Ni/Fe-MOF có tỷ lệ Ni2+/Fe3+ tối ưu cho hiệu suất phân hủy cao nhất, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Vật liệu biến tính có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, giúp loại bỏ các hợp chất độc hại một cách hiệu quả và bền vững.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu khung hữu cơ kim loại MIL88B-Fe bằng phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng đã mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện hiệu suất xúc tác quang hóa. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp và mở rộng ứng dụng của vật liệu.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần nghiên cứu thêm về các ion kim loại khác và tỷ lệ tối ưu để nâng cao hiệu suất xúc tác của vật liệu.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Vật liệu biến tính có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến sản xuất năng lượng sạch.

Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp và biến tính vật liệu khung hữu cơ kim loại MIL88B-Fe bằng dung nhiệt hỗ trợ vi sóng