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

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.

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”.