Luận văn thạc sĩ hóa học: Nghiên cứu tổng hợp chất xúc tác trên nền graphen oxit

Luận văn thạc sĩ hóa học nghiên cứu hóa học nghiên cứu tổng hợp chất xúc tác trên nền vật liệu graphen oxit, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Đỗ Thị Ngọc Cấm
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Đức
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa thuyết và Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Chất Xúc Tác Từ Graphen Oxit
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Mục lục chi tiết

• PHỤ BÌA
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. VẬT LIỆU GRAPHIT
• 1.2. VẬT LIỆU GRAPHEN
• 1.2.1. Lịch sử phát triển
• 1.2.2. Cấu trúc của graphen
• 1.2.3. Tính chất của graphen
• 1.2.4. Cấu trúc của graphen oxit
• 1.2.5. Tính chất của graphen oxit
• 1.2.6. Các phương pháp tổng hợp GO
• 1.2.7. Ứng dụng của GO
• 1.3. TỔNG QUAN VỀ Fe3O4/GO
• 1.3.1. Tổng hợp Fe3O4/GO
• 1.3.2. Ứng dụng của vật liệu Fe3O4/GO
• 1.4. Sơ lược về thuốc nhuộm
• 1.5. Thuốc nhuộm Xanh Metylen
• 1.6. Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm
• 1.7. Định nghĩa, phân loại xúc tác
• 1.8. Đặc điểm của hiện tượng xúc tác
• 1.9. Yêu cầu cơ bản khi điều chế xúc tác
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction: XRD)
• 2.1.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Radiation: FT-IR)
• 2.1.3. Phương pháp phổ EDX
• 2.1.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET)
• 2.1.5. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS)
• 2.1.6. Phương pháp phổ tử ngoại - khả kiến (Ultra Violet - Visible: UV-Vis)
• 2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ
• 2.3. Tổng hợp vật liệu GO
• 2.4. Tổng hợp vật liệu Fe3O4/GO
• 2.5. Đánh giá khả năng hấp phụ và xúc tác của vật liệu tổng hợp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG GRAPHEN OXIT
• 3.1.1. Tổng hợp graphen oxit
• 3.1.2. Đặc trưng vật liệu graphit và graphen oxit (GO)
• 3.2. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU Fe3O4/GO
• 3.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe3O4/GO
• 3.2.2. Đặc trưng vật liệu Fe3O4/GO
• 3.2.3. Tổng hợp Fe3O4/GO với các hàm lượng Fe khác nhau
• 3.3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TỔNG HỢP
• 3.3.1. Khả năng hấp phụ
• 3.3.2. Khả năng xúc tác của vật liệu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về graphen oxit và chất xúc tác

Graphen oxit (graphen oxit) là một dạng của graphen, được biết đến với nhiều tính chất vượt trội. Nó chứa các nhóm chức như hydroxyl, cacboxyl và epoxyl, giúp tăng cường khả năng tương tác với các chất khác. Nghiên cứu về chất xúc tác từ graphen oxit đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực hóa học. Các ứng dụng của graphen oxit trong việc tổng hợp chất xúc tác đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu về vật liệu nano. Việc tổng hợp chất xúc tác từ graphen oxit không chỉ giúp cải thiện hiệu suất phản ứng mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo nghiên cứu, graphen oxit có khả năng hấp phụ tốt, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực hóa học vật liệu.

1.1. Tính chất của graphen oxit

Tính chất của graphen oxit rất đa dạng và phong phú. Nó có khả năng dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao và khả năng hấp phụ mạnh mẽ. Những tính chất này làm cho graphen oxit trở thành một vật liệu lý tưởng cho việc phát triển các chất xúc tác hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng, graphen oxit có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các quá trình oxy hóa và khử. Việc sử dụng graphen oxit trong các ứng dụng này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu lượng chất thải sinh ra trong quá trình phản ứng.

II. Phương pháp tổng hợp chất xúc tác từ graphen oxit

Phương pháp tổng hợp chất xúc tác từ graphen oxit thường được thực hiện qua nhiều bước khác nhau. Một trong những phương pháp phổ biến là phương pháp Hummers, trong đó graphen oxit được tổng hợp từ graphit thông qua quá trình oxy hóa. Phương pháp này cho phép tạo ra graphen oxit với độ tinh khiết cao và khả năng tương tác tốt với các chất khác. Ngoài ra, các phương pháp như thủy nhiệt và sol-gel cũng được áp dụng để tổng hợp chất xúc tác từ graphen oxit. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất tổng hợp mà còn tạo ra các sản phẩm có tính chất vượt trội hơn. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng graphen oxit trong các lĩnh vực khác nhau.

2.1. Ứng dụng của chất xúc tác từ graphen oxit

Các chất xúc tác được tổng hợp từ graphen oxit đã cho thấy nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực hóa học. Chúng có thể được sử dụng trong các phản ứng oxy hóa, khử, và trong việc xử lý nước thải. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, graphen oxit có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước, giúp cải thiện chất lượng nước. Hơn nữa, chất xúc tác từ graphen oxit cũng được ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, như trong các tế bào nhiên liệu và pin mặt trời. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về chất xúc tác từ graphen oxit đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực hóa học. Những tính chất vượt trội của graphen oxit cùng với khả năng ứng dụng đa dạng đã tạo ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải tiến các ứng dụng hiện tại sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của chất xúc tác. Hơn nữa, việc nghiên cứu sâu hơn về các tính chất của graphen oxit sẽ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của nó trong các phản ứng hóa học. Từ đó, có thể phát triển các sản phẩm mới với hiệu suất cao hơn, góp phần vào sự phát triển bền vững trong lĩnh vực hóa học vật liệu.

3.1. Đề xuất nghiên cứu trong tương lai

Để tiếp tục phát triển lĩnh vực này, cần có những nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp tổng hợp chất xúc tác từ graphen oxit. Việc tìm kiếm các nguyên liệu mới và cải tiến quy trình tổng hợp sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về khả năng ứng dụng của graphen oxit trong các lĩnh vực khác nhau như y học, năng lượng và môi trường. Những nghiên cứu này không chỉ giúp mở rộng kiến thức về graphen oxit mà còn tạo ra những sản phẩm có giá trị thực tiễn cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải công nghiệp dệt nhuộm đang là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây suy thoái nguồn nước ngầm và nước mặt tại Việt Nam, với độ kiềm pH dao động từ 8,5 đến 12 cùng các chỉ số nhu cầu oxy hóa học COD và nhu cầu oxy sinh học BOD vượt ngưỡng an toàn nhiều lần. Trong các hợp chất hữu cơ độc hại, thuốc nhuộm cation Xanh Metylen (Methylene Blue với công thức phân tử C16H18N3SCl) có nồng độ gây chết 50% (LC50) trên một số loài thủy sinh ở mức 165,5 ppm đến 188,5 ppm và nồng độ gây độc mãn tính từ 100 mg/L. Đứng trước thách thức xử lý triệt để các chất màu hữu cơ bền vững, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế (năm 2016) đã tập trung giải quyết bài toán chế tạo chất xúc tác dị thể hiệu năng cao trên cơ sở vật liệu cacbon tiên tiến.

Mục tiêu trọng tâm của công trình là tổng hợp thành công graphen oxit (GO) từ graphit tự nhiên bằng phương pháp Hummers cải tiến, sau đó biến tính tạo tổ hợp nano Fe2O3/GO thông qua kỹ thuật thủy nhiệt. Nghiên cứu tiến hành khảo sát chi tiết ảnh hưởng của hàm lượng kim loại sắt ban đầu (5%, 10%, 15% theo khối lượng) và giá trị pH phản ứng (pH = 1,92 và pH = 2,56) đến cấu trúc pha, hình thái bề mặt và độ phân tán của oxit sắt. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra vật liệu GO có diện tích bề mặt riêng đạt 260 m2/g và xúc tác Fe2O3/GO nạp tối đa 9,17% Fe, mở ra hướng ứng dụng xử lý triệt để dung dịch Xanh Metylen nồng độ 50 mg/L sau 180 phút phản ứng ở 50°C, góp phần bảo vệ bền vững hệ sinh thái nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết nền tảng: lý thuyết cấu trúc vật liệu cacbon hai chiều (2D), lý thuyết xúc tác dị thể Fenton cải tiến và lý thuyết hấp phụ bề mặt chất rắn. Theo mô hình cấu trúc do Lerf và Klinowski đề xuất, graphen oxit là mạng lưới cacbon lai hóa sp2 xen kẽ sp3 mang nhiều nhóm chức phân cực chứa oxy như hydroxyl (-OH), cacboxyl (-COOH), cacbonyl (C=O) và epoxy (C-O-C). Sự hiện diện của các nhóm chức này phá vỡ tính dẫn điện nhưng cung cấp các tâm liên kết hóa học lý tưởng để cố định các hạt nano oxit kim loại.

Trong cơ chế xúc tác Fenton dị thể, các ion Fe(III) phân tán trên phiến GO tương tác với H2O2 tạo ra các gốc tự do hydroxyl (•OH) có thế oxy hóa cực mạnh đạt 2,8 V, phân cắt hoàn toàn khung thơm dị vòng của chất màu. Quá trình này kết hợp song song với cơ chế hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và BET, trong đó bề mặt riêng và thể tích mao quản đóng vai trò quyết định đến dung lượng lưu giữ phân tử hữu cơ. Sự chuyển dời mức năng lượng electron theo định luật Bouguer - Lambert - Beer và hiện tượng nhiễu xạ tia X tuân theo phương trình Vulf - Bragg đóng vai trò nền tảng cho việc xác định cấu trúc phân tử và pha tinh thể của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập hệ thống 8 mẫu thực nghiệm bao gồm graphit nguyên liệu, graphen oxit chuẩn và 6 biến thể xúc tác Fe/GO được tổng hợp ở 3 tỷ lệ muối sắt (0,134 g; 0,268 g; 0,402 g FeCl3.6H2O tương ứng 5%, 10%, 15% Fe) và 2 mức pH (1,92 và 2,56). Phương pháp chọn mẫu theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần có kiểm soát thông số được lựa chọn nhằm đánh giá chính xác tác động độc lập và tương hỗ giữa nồng độ tiền chất và môi trường axit.

Lý do lựa chọn phương pháp Hummers cải tiến (sử dụng 3 g graphit, 1,5 g NaNO3, 69 mL H2SO4 98% và 9 g KMnO4) là nhằm loại trừ việc sinh khí độc NO2 và tăng hiệu suất bóc tách lớp. Kỹ thuật thủy nhiệt ở 200°C trong 6 giờ trong bình teflon được áp dụng để đảm bảo các hạt Fe2O3 kết tinh đồng đều mà không làm phá hủy khung nền GO. Cấu trúc và tính chất vật liệu được phân tích toàn diện qua hệ thống thiết bị hiện đại từ năm 2015 đến tháng 9 năm 2016: nhiễu xạ tia X (XRD D8-Advance, bước sóng Cu-Ka 1,5406 Å, góc quét 0,5° đến 90°), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR Prestige-21 trong dải 400-4000 cm-1), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX JED-2300), phổ quang điện tử tia X (XPS ESCA Lab 250 với nguồn Al Ka 1486,6 eV) và đo dung lượng hấp phụ N2 ở 77K theo mô hình BET trên máy Omnisorp-100 sau khi khử khí ở 200°C suốt 6 giờ. Nồng độ phẩm nhuộm Xanh Metylen được xác định chính xác bằng phổ UV-Vis tại bước sóng cực đại 660 nm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận bốn phát hiện thực nghiệm cốt lõi mang tính định lượng cao:

Thứ nhất, quá trình oxy hóa graphit thành GO đã làm dịch chuyển đỉnh nhiễu xạ XRD đặc trưng từ góc 2theta = 26,3° (mặt phẳng 002, khoảng cách d = 0,34 nm) sang góc 2theta = 10,9° (khoảng cách d = 0,84 nm), tương đương mức giãn nở khoảng cách giữa các lớp cacbon lên đến 147%. Phổ FT-IR khẳng định sự xuất hiện dày đặc của các dao động liên kết oxy gồm O-H tại 3404 cm-1, C=O tại 1720 cm-1, C-O cacboxylic tại 1400 cm-1, C-O epoxy tại 1271 cm-1 và C-O ancol tại 1057 cm-1.

Thứ hai, việc gắn hạt nano oxit sắt lên phiến GO tạo pha tinh thể alpha-Fe2O3 (hematite) hoàn chỉnh, thể hiện qua các đỉnh XRD tại góc 2theta = 33,2°; 35,6°; 49,4° và 54,1° ứng với các mặt phản xạ (104), (110), (113), (024) và (116). Phổ FT-IR ghi nhận sự hình thành liên kết Fe-O tại số sóng 582 cm-1 với cường độ tăng vọt từ 56,98 ở mẫu GO lên 88,21 ở mẫu Fe2O3/GO.

Thứ ba, hàm lượng sắt nạp vào chất nền chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH và nồng độ tiền chất. Tại pH = 2,56, hàm lượng Fe theo phổ EDX tăng từ 4,47% (mẫu nạp 5% Fe) lên mức cực đại 9,17% (mẫu nạp 10% Fe), nhưng giảm xuống 7,60% khi tăng lượng sắt nạp lên 15%. Ở điều kiện pH = 1,92, giá trị Fe đo được lần lượt là 2,61%, 5,23% và 4,11%. Tăng pH từ 1,92 lên 2,56 giúp tỷ lệ bám dính của Fe tăng thêm 75,3% đối với công thức 10% Fe.

Thứ tư, phổ XPS phân giải cao xác nhận ion sắt tồn tại duy nhất ở trạng thái oxy hóa Fe(III) với mức năng lượng liên kết Fe 2p3/2 tại 710,8 eV. Diện tích bề mặt riêng BET đo được của GO đạt 260 m2/g, trong khi mẫu Fe2O3/GO đạt 19 m2/g.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm hàm lượng Fe khi tăng nồng độ muối nạp từ 10% lên 15% bắt nguồn từ hiện tượng thủy phân cục bộ quá nhanh của muối FeCl3 ở nồng độ cao, tạo kết tủa hydroxide tự do lắng đọng ngoài dung dịch thay vì tạo liên kết phối trí với các nhóm chức oxy trên mặt phẳng GO. Sự gia tăng giá trị pH lên 2,56 tạo môi trường thuận lợi thúc đẩy quá trình khử proton của nhóm -COOH và -OH, làm tăng mật độ điện tích âm trên phiến GO để hút các cation sắt.

Về mặt diện tích tiếp xúc, giá trị BET giảm từ 260 m2/g xuống 19 m2/g do các hạt nano Fe2O3 chiếm giữ các lỗ xốp và quá trình xử lý thủy nhiệt ở 200°C làm một phần phiến GO tái cuộn gập. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua bảng ma trận đối chiếu hàm lượng Fe theo pH, biểu đồ đường biểu diễn sự thay đổi cường độ pic XRD và đồ thị động học chuyển hóa Xanh Metylen 50 mg/L theo thời gian. So sánh với các nghiên cứu trước đây về vật liệu TiO2/GO hoặc CuO/GO, xúc tác Fe2O3/GO trong công trình này thể hiện tính ưu việt về độ bền hóa học và khả năng xúc tác phân hủy chất màu hữu cơ vượt trội khi kết hợp tác nhân H2O2 ở 50°C.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn sản xuất, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, chuẩn hóa và mở rộng quy mô chế tạo bán công nghiệp. Cần tối ưu hóa quy trình tổng hợp thủy nhiệt từ quy mô phòng thí nghiệm (0,5 g GO mỗi mẻ) lên hệ thống pilot đạt công suất 500 g vật liệu mỗi mẻ với độ sai lệch hàm lượng sắt phân tán dưới 5%. Thời gian triển khai dự kiến từ 6 đến 12 tháng do các nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu tại các viện và trường đại học chủ trì thực hiện.

Thứ hai, mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa dải pH và tác nhân kiềm hóa. Cần khảo sát chi tiết dải pH mở rộng từ 2,5 đến 6,0 kết hợp thử nghiệm các chất kiềm hóa hữu cơ nhẹ như urê hoặc hexamethylenetetramine nhằm hạn chế tối đa sự thủy phân tự do của muối sắt, hướng tới mục tiêu nâng hàm lượng Fe phân tán hữu hiệu đạt trên 12% khối lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng bởi các chuyên gia hóa lý bề mặt.

Thứ ba, tích hợp công nghệ thu hồi và tái sinh xúc tác từ tính. Cần phát triển phương pháp lai tạo thêm pha từ tính Fe3O4 hoặc phủ composite lên giá mang polymer để cho phép thu hồi xúc tác nhanh chóng bằng nam châm ngoài, đặt mục tiêu duy trì hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm trên 90% sau 10 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp. Thời gian hoàn thiện trong 9 tháng do các kỹ sư công nghệ môi trường đảm nhiệm.

Thứ tư, thử nghiệm xử lý trên dòng nước thải dệt nhuộm thực tế. Cần tiến hành thử nghiệm hệ phản ứng Fenton dị thể với Fe2O3/GO trên nguồn nước thải công nghiệp thực tế có chỉ số COD từ 500 đến 1500 mg/L và pH từ 8,5 đến 12, đặt chỉ tiêu giảm COD trên 85% và độ màu trên 98%. Kế hoạch thực hiện trong 12 tháng với sự phối hợp của các doanh nghiệp xử lý nước thải tại các khu công nghiệp dệt may.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết chuẩn mực về phản ứng oxy hóa graphit theo Hummers cải tiến và phương pháp tổng hợp thủy nhiệt composite oxit kim loại trên nền graphen, đi kèm bộ dữ liệu phân tích phổ XRD, FT-IR, EDX, XPS và BET bài bản để làm cơ sở đối sánh học thuật.

Kỹ sư công nghệ môi trường tại các khu công nghiệp: Cung cấp giải pháp kỹ thuật oxy hóa nâng cao (AOPs) hiệu quả cao để xử lý các dòng nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính, hợp chất thơm khó phân hủy sinh học mà các hệ thống xử lý sinh học truyền thống không thể giải quyết triệt để.

Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các viện, trường đại học: Dùng làm giáo trình tham khảo chuyên sâu cho các học phần Hóa lý thuyết, Động học xúc tác dị thể, Hóa học vật liệu nano và Công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường.

Doanh nghiệp sản xuất vật liệu lọc và hóa chất xử lý nước: Nắm bắt các thông số công nghệ nền tảng để phát triển thương mại hóa các dòng vật liệu hấp phụ - xúc tác composite dạng hạt hoặc dạng màng phục vụ lọc nước công nghiệp và dân dụng.

Câu hỏi thường gặp

Graphen oxit (GO) có cấu trúc và tính chất khác biệt như thế nào so với graphit tự nhiên? Graphit có cấu trúc phân lớp xếp chồng chặt chẽ với khoảng cách mạng d = 0,34 nm tại góc nhiễu xạ 2theta = 26,3°. Khi bị oxy hóa thành GO theo phương pháp Hummers cải tiến, khoảng cách mạng mở rộng lên 0,84 nm (2theta = 10,9°) nhờ các nhóm chức phân cực -OH, -COOH và epoxy xen vào giữa các lớp, biến GO thành chất cách điện có khả năng phân tán xuất sắc trong nước với diện tích bề mặt đạt 260 m2/g.

Vì sao phương pháp Hummers cải tiến được ưu tiên lựa chọn thay vì phương pháp Brodie hay Staudenmaier? Phương pháp Brodie và Staudenmaier sử dụng KClO3 và axit mạnh dễ gây nổ nguy hiểm do tạo thành khí ClO2 độc hại. Phương pháp Hummers cải tiến sử dụng hỗn hợp KMnO4 và H2SO4, loại bỏ hoàn toàn việc dùng NaNO3, giúp ngăn chặn triệt để sự phát thải khí độc NO2 và N2O4, đồng thời rút ngắn thời gian phản ứng và tạo ra sản phẩm GO có độ oxy hóa đồng đều.

Yếu tố pH ảnh hưởng như thế nào đến mức độ nạp oxit sắt lên chất nền GO? Thực nghiệm chứng minh khi tăng pH từ 1,92 lên 2,56, hàm lượng Fe bám trên GO tăng mạnh từ 5,23% lên 9,17% đối với mẫu nạp 10% Fe ban đầu. Môi trường pH cao hơn làm tăng mức độ phân ly proton của các nhóm chức axit trên phiến GO, tạo ra nhiều tâm tích điện âm để hút và cố định cation sắt Fe(III) hiệu quả hơn trong quá trình thủy nhiệt.

Tại sao diện tích bề mặt riêng BET của vật liệu Fe2O3/GO lại giảm đáng kể so với GO ban đầu? Diện tích bề mặt riêng giảm từ 260 m2/g ở GO xuống 19 m2/g ở Fe2O3/GO do các tinh thể nano Fe2O3 hình thành đã bám phủ lên bề mặt và lấp đầy các mao quản xốp của phiến GO. Bên cạnh đó, điều kiện nhiệt độ 200°C và áp suất cao trong quá trình thủy nhiệt 6 giờ đã khiến một số lớp GO bị tái chập (restacking), làm giảm độ xốp tổng thể.

Cơ chế xúc tác của tổ hợp Fe2O3/GO trong quá trình phân hủy thuốc nhuộm Xanh Metylen diễn ra ra sao? Vật liệu Fe2O3/GO đóng vai trò là chất xúc tác Fenton dị thể. Khi có mặt H2O2 ở 50°C, các tâm Fe(III) trên bề mặt xúc tác kích hoạt phản ứng phân hủy H2O2 thành các gốc tự do hydroxyl (•OH) có hoạt tính oxy hóa cực mạnh, bẻ gãy cấu trúc vòng thơm dị vòng của phân tử Xanh Metylen 50 mg/L thành các hợp chất trung gian đơn giản và cuối cùng khoáng hóa thành CO2 và H2O.

Kết luận

• Tổng hợp thành công graphen oxit (GO) từ graphit bằng phương pháp Hummers cải tiến với khoảng cách giữa các lớp cacbon mở rộng từ 0,34 nm lên 0,84 nm.
• Chế tạo thành công tổ hợp xúc tác nano alpha-Fe2O3/GO bằng phương pháp thủy nhiệt ở 200°C trong 6 giờ với trạng thái Fe(III) bền vững ở mức năng lượng liên kết 710,8 eV.
• Xác định điều kiện tối ưu đạt hàm lượng Fe phân tán cực đại 9,17% tại pH = 2,56 với tỷ lệ muối sắt nạp ban đầu 10% theo khối lượng.
• Khẳng định hoạt tính vượt trội của vật liệu Fe2O3/GO trong phản ứng xúc tác phân hủy phẩm nhuộm Xanh Metylen nồng độ 50 mg/L kết hợp tác nhân H2O2 sau 180 phút ở 50°C.
• Đóng góp giải pháp vật liệu xúc tác dị thể xanh, hiệu quả cao và thân thiện với môi trường cho lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm.

Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc đánh giá độ bền xúc tác qua 10 chu kỳ phản ứng liên tiếp trong 6 tháng tới và triển khai thử nghiệm hệ thống pilot quy mô công nghiệp trong vòng 12 tháng. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư môi trường hãy ứng dụng ngay quy trình tổng hợp vật liệu nano Fe2O3/GO tiên tiến này để nâng cao hiệu suất xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong thực tế sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. TONG QUAN TAI LIEU. VAT LIEU GRAPHIT 1. VAT LIEU GRAPHEN.

Lịch sử phát triển. Cấu trúc của graphen. Tính chất của graphen. Cấu trúc của graphen oxit khe nn 1.

Tính chất của graphen oxit « " + ". Các phương pháp tổng hợp GO. Ứng dụng của GO. TONG QUAN VE Fe;0yGO 16 1.

Tổng hợp Fe;O;/GO. Ứng dụng của vật liệu Fe/GO 16 1. Sơ lược về thuốc nhuộm. Thuốc nhuộm Xanh Metylen 18 1.

Tác hại của ô nhiễm nước thải đệt nhuộm do thuốc nhuộm. Định nghĩa, phân loại xúc tác. Đặc điêm của hiện tượng xúc tác 22 1. Yêu cầu cơ bản khi điều chế xúc tác.

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU VA THUC NGHIEM. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp nhiễu xạ Ronghen (X-ray _điffacion: XRD) 2 2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Radiation: FT-]TR) 4 2.

Phương pháp phổ EDX. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phy- Khir hip phy nito (BET), —- 2. Phương pháp phổ quang điện tir tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy XPS) 26 2. Phương pháp phổ tử ngoại-khả kiến (Utra Violet- Visible: UV-Vis).

Hóa chất, thiết bị và dụng cụ. Tổng hợp vật liệu GO. Tổng hợp vật liệu Fe;Oy/GO. Đánh giá khả năng hấp phụ và xúc tác của vật liệu tổng hợp.

KET QUA VA THAO LU. TONG HOP VA DAC TRUNG GRAPHEN OXIT. Tổng hợp graphen oxit 3 3. Đặc trưng vật liệu graphit và graphen oxit (GO) 3 3.

TONG HỢP VÀ ĐẶC TRUNG VAT LIEU Fe:0y/GO. Tổng hợp vật liệu FesOs/GO. Đặc trưng vật liệu Fe;O;/GO. Tổng hợp Fe,O,/GO với các hàm lượng Fe khác nhau.

DANH GIA KHA NANG HAP PHU VA XUC TAC CUA VAT LIEU TÔNG HỢP,. Khả năng hấp phụ. Khả năng xúc tác của vật liệu 50 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. TÀI LIỆU THAM KHẢO.

DANH MUC CAC TU VIET TAT BET Brunaur- Emmett- Teller EDX. Energy Dispersive X ray Spectrocopy FT-IR Fourier Transform Infrared Radiation Go Graphen oxit HPHH Hap phu héa hoc HPVL Hap phy vat ly MB Methylene blue UV-Vis Ultra Violet — Visible (Phé tir ngoai — kha kién ) ‘X-ray Difraction (Nhiéu xa tia X) XPS X-ray Diflration (Phổ quang điện tử tỉa X) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Mẫu graphit § Hình 1. Cấu trúc tinh thé graphit.

Mô hình cấu trúc Graphen oxit (GO) do Lerf-Klinowsk đề xuất. Các phương pháp tổng hợp GO l3 Hình 1. Thuốc nhuộm Xanh metylen dạng khử (a) và dạng oxi hóa (b). So d6 tia tới và tia phản xạ trên tinh thé 23 Hình 2.

Bước chuyển của các electron trong phan tử 27 Hình 2. Hệ phản ứng oxi hóa xanh metylen. Mẫu graphen oxit tổng hợp. Giản đỗ XRD của graphit.

Giản đỗ XRD của graphen oxit. Phổ FT-IR của mẫu graphit và graphen oxit seo. Mẫu Fe;Oy/GO. Giản đồ XRD của mẫu GO và Fe10/GOI,92 36 Hình 3.

Phé FT-IR của mẫu Fe;O,/GO. Phổ XPS của Fe;O›/GO (a) và giản đồ XPS phân giải cao của mức năng. Đăngnhiệt hấp phụ của các mẫu GO và Fe;O;/GO. Phổ EDX của Fe5/GOI,92 (a); Fel0/GOI.

Giản đồ XRD của vật liệu với hàm lượng Fe khác nhau ở pH=I,92. Phổ EDX của Fe5/GO2,56 (a); Fel0/GO2,56 (b) và Fel5/GO2,56 (e). Giản đồ XRD của vật liệu với hàm lượng Fe khác nhau 6 pH = 2,56. Giản đồ XRD của các mẫu Fe5/GOI,92 và Fe5/GO2,56.

Giản đồ XRD của các mẫu Fe10/GOI,92 và Fe10/GO2,56 46 Hình 3. Giản đồ XRD của các mẫu Fel5/GOI,92 và Fe15/GO2,56 48 Hình 3. Đồ thị biểu diễn độ hấp phụ MB của các mẫu GO, Fe/GO 50 Hình 3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất chuyên hóa của các mẫu GO, Fe:O;/ GO.

S1 ĐANH MỤC BANG. Các hóa chất được sử dụng trong khóa luận. Hàm lượng Fe (% khối lượng) trong các mẫu Fex/GOI,92 ( x: hàm lượng Fe)40 Bảng 3. Hàm lượng Fe (% khối lượng) trong các mẫu Fex/GOI,92 (x: ham lượng Fe) 4 Bảng 3.

Hàm lượng Fe (% khối lượng) trong các mẫu FeS/GOI,92 và Fe5/GO2,56. Hàm lượng Fe (% khối lượng) trong các mẫu Fel0/GOI.92 va Fel0/GO2,56. Hàm lượng Fe (% khối lượng) trong các mẫu Fel5/GOI,92 và FelS/GO2,S6. Các mẫu Fe/GO tổng hợp với hàm lượng Fe khác nhau.

Độ hấp phụ của các mẫu Fe'GO với hàm lượng Fe khác nhau 49 Bang 3. Hiệu suất chuyên hóa của các mẫu GO, FezO›/GO ở 50C sau 180 phút S1 Bang 3. Hiệu suất chuyên hóa xúc tác của các mẫu GO/ Fe;O; ở S0fC. 52 MO DAU Hiện nay, vấn để ô nhiễm môi trường đang được hết sức quan tâm, đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước, nó ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và các sinh vật trên Trái đất.

Tại Việt Nam, nước ngằm được sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Sự ô nhiễm nguồn nước đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏe con người. Ngoài tác hại của một số kim loại nặng như. thủy ngân, asen, chì.thì phải kể đến sự có mặt của các chất gây ô nhiễm hữu cơ.

độc hại trong nước như các hóa chất bảo vệ thực vật, các hóa chất tổng hợp trong. sản xuất công nghiệp, các loại hóa chất dệt nhuộm. Do đó, việc giảm thiêu các chất gây ô nhiễm này vào môi trường nước là rat can thiết Trong những năm gần đây, vật liệu cacbon đã và đang thu hút sự quan tâm. của các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi các tính chất đặc biệt với các tiềm.

năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt là graphen, vật liệu công nghệ sạch, thân thiện với môi trường, có nguồn gốc từ thiên nhiên có tính chất vượt trội như: cấu trúc màn mỏng, diện tích bề mặt lớn, độ cứng cao,. ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: điện cực, cảm biến, tụ điện, xử lý môi trường. Trong đó, graphen oxit (GO) là sản phẩm trung gian khi chế tạo graphen.

từ graphit cũng có nhiều tính chất tương tự graphen. Ngoài ra, trên bề mặt vật liệu. GO còn chứa nhiều nhóm chức phân cực như cacboxyl, hydroxyl, cacbonyl, epoxi. giúp GO đễ phân tán trong nước, loại bỏ các ion, các chất dễ bị phân hủy.

Vì vậy, GO là vật liệu nền lí tưởng, thuận lợi cho việc gắn chặt, phân tán các kim. loại, oxit kim loại, các hợp chất hóa học khác tạo nên những tổ hợp có các tính chất mới, tính linh động của electron trên bề mặt GO với độ bền cơ học, độ bền nhiệt được cải thiện. Theo hướng này, đã có một số công bố về chế tạo chất xúc tác kim. loại/oxit kim loại kết hợp với vật liệu graphen oxit dạng huyền phù như: graphen oxit (TiO›/GO) hay phân tán Au/GO, CuO/GO.

đang rất được quan tâm, nhất là trong lĩnh vực xử lí môi trường, hấp phụ các chất hữu cơ đặc biệt là các loại phẩm nhuộm. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu tổng. hợp chất xúc tác trên nền vật liệu graphen oxit” với nguồn graphen oxit được tổng. hop tir graphit.

Luận văn gồm các nội dung sau: 1. Tổng hợp graphen oxit (GO) từ graphit bằng phương pháp Hummer biến tính. Nghiên cứu biến tính vật liệu GO bằng kim loại Fe. ¥ Khao sat ảnh hưởng của pH Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng kim loại 3.

Đặc trưng các vật liệu tổng hợp. 4, Thit hoạt tính của vật liệu tổng hợp, CHUONG 1 TONG QUAN TAI LIEU 1. VAT LIEU GRAPHIT Trong tự nhiên, than chỉ được tìm thấy ở một số khoáng vật như: thiên thạch, thạch anh, mica. Than chỉ lần đầu tiên được con người sử dụng để làm bút chỉ, vào khoảng những năm 1500-1560 và cái tên than chì (graphit) được đặt bởi Abraham Gottlob Werner ( một nhà địa chất học người Đức) vào năm 1789, xuất phát từ tiếng.

Hy Lạp với ý nghĩ; lẻ vẽ" [5] Hình 1. Mẫu graphit Graphit tồn tại ở dạng tỉnh thể cấu tạo lớp, các lớp nằm song song với nhau, mỗi lớp bao gồm các vòng sáu cạnh tương đối phẳng, một nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một lớp là khoảng 0,142 nm trong khi đó khoảng cách giữa các lớp với nhau là khoảng 0,335 nm do vậy tương tác giữa các lớp y u hơn tương tác giữa các nguyên tử cùng lớp rất nhiều. Chính vì tương tác giữa các lớp với nhau tương đối yếu nên các lớp này có thể trượt lên nhau, dẫn đến tính đẻo nhưng không đàn hồi của eraphit.

Liên kết C-C trong graphit tương đối bén, do ngoài các liên kết với ba nguyên tử cacbon xung quanh thì nguyên tử cacbon trung tâm còn có thé tao. ra một liên kết x không định vị với các nguyên tử xung quanh, chính vì vậy trong các lớp mang sé tao ra một hệ thống liên hợp dạng (-C=C-C=C-C=C-) tạo ra vùng không gian mà các electron œ có thể chuyển động tương đối tự do (xem như một giếng thế) dẫn đến hiện tượng ánh kim và khả năng dẫn điện của graphit. tính chất như vậy, graphit thường được sử dụng để làm điện cực trong các phương pháp điện hóa học [17] Mô hình liên kết một lớp. 'Hình chiếu bên các lớp.

Hình chiếu bằng các lớp. Cấu trúc tình thể graphit 1. VAT LIEU GRAPHEN 1. Lich sir phat trién Graphen durge quan tâm từ khá sớm khi người ta phát minh ra phương pháp tinh thé hoc tia X (X-ray crystallography) và cũng được nghiên cứu về mặt lý thuyết bởi P.R Wallace từ những năm 1947.

Cho đến năm 2004, khi tạp chí Science cng bố kết quả tách graphen từ tinh thể graphit bằng phương pháp thủ công nhờ băng. keo trong suốt (Scotch tape) của Novoselov cùng với nhóm các nhà khoa học ở Đại học Manchester (Anh) và Viện công nghệ vi điện tử Chernogolovka (Nga) đã gây nên chắn động lớn trên khắp th giới [13]. Kẻ từ đó đến nay số công trình khoa học. được công bố về graphen và vật liệu trên cơ sở graphen tăng lên một cách khác thường.

Theo số liệu trong bài báo, năm 1998 số lượng công trình công bố chỉ khoảng 100 công trình, năm 2004 số công trình tăng lên gấp đôi, năm 2007 có. khoảng 800 công trình được công bố và đến năm 2010 số lượng công trình công bố. tăng lên rất nhiều, gần 3500 công trình. Tính đến năm 2014 đã lên đến 16000 công.

'bồ cho thấy graphen đang là mối quan tâm hàng đầu trong các vật liệu cacbon [S5]. Cấu trúc của graphen 'Về mặt cấu trúc, màng graphen được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp. xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phãng, hay còn gọi là cấu trúc tô ong. Do chỉ có sáu electron tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cacbon nên chỉ có bốn.

electron phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử cacbon lai hóa với nhau tạo thành ba trang thai sp’, cdc trang thái này định hướng theo ba phương tạo với nhau một góc 120”.