Nghiên Cứu Đặc Trưng và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4

• Tác giả: Hoàng Thị Châm
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng Hợp, Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các phương pháp điều chế vật liệu nano
• 1.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.4. Phương pháp sol-gel
• 1.5. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.6.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 1.6.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.6.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)
• 1.6.4. Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 1.6.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (DRS)
• 1.6.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến (UV-Vis)
• 1.7. Tổng quan về vật liệu oxit kẽm
• 1.8. Cấu tạo và tính chất của oxit kẽm
• 1.9. Tình hình nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng của oxit kẽm và oxit kẽm pha tạp
• 1.10. Giới thiệu về Rhodamin B
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ, hóa chất
• 2.2. Tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch
• 2.3. Tổng hợp oxit nano ZnO
• 2.4. Tổng hợp nano spinel NiFe2O4
• 2.5. Tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4
• 2.6. Nghiên cứu một số đặc trưng của các vật liệu
• 2.7. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamin B của các vật liệu
• 2.8. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B
• 2.9. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.10. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 2.11. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 2.12. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2O2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 3.2. Kết quả nghiên cứu hình thái học và diện tích bề mặt riêng của mẫu
• 3.3. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
• 3.4. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS)
• 3.5. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamin B của mẫu
• 3.6. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B (RHB)
• 3.7. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.8. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.9. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 3.10. Ảnh hưởng của lượng H2O2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4

Nghiên cứu vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Vật liệu này không chỉ có tính chất quang học vượt trội mà còn có khả năng xúc tác quang hiệu quả. ZnO là một trong những vật liệu phổ biến trong ứng dụng quang xúc tác, nhưng việc pha tạp NiFe2O4 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của nó. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu này.

1.1. Đặc Điểm Của Vật Liệu Nano ZnO

ZnO là một oxit bán dẫn với độ rộng vùng cấm cao, khoảng 3.27 eV. Tính chất này giúp ZnO có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ, nhưng cũng gây ra sự tái tổ hợp nhanh chóng của electron và lỗ trống, làm giảm hiệu suất quang xúc tác.

1.2. Vai Trò Của NiFe2O4 Trong Pha Tạp

NiFe2O4 là một oxit từ tính mạnh, có khả năng cải thiện tính chất quang xúc tác của ZnO. Việc pha tạp NiFe2O4 giúp tăng cường khả năng tách electron và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của vật liệu, khả năng tách ra khỏi dung dịch sau phản ứng, và hiệu suất quang xúc tác cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu và tổng hợp mới.

2.1. Độ Ổn Định Của Vật Liệu

Độ ổn định của vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 là một yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu cho thấy rằng, dưới điều kiện môi trường khác nhau, vật liệu có thể bị phân hủy hoặc mất hoạt tính quang xúc tác.

2.2. Khả Năng Tách Ra Khỏi Dung Dịch

Khả năng tách NiFe2O4 ra khỏi dung dịch sau phản ứng là một thách thức lớn. Việc sử dụng nam châm bên ngoài có thể giúp tách vật liệu, nhưng cần nghiên cứu thêm về hiệu quả và tính khả thi của phương pháp này.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4

Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4, trong đó phương pháp đốt cháy dung dịch và phương pháp sol-gel là hai phương pháp phổ biến. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phương Pháp Đốt Cháy Dung Dịch

Phương pháp đốt cháy dung dịch sử dụng các chất nền như ure để tổng hợp vật liệu. Phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu với độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều.

3.2. Phương Pháp Sol Gel

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu nano với cấu trúc mong muốn. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt nano.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4

Vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang xúc tác, đặc biệt trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Hiệu suất quang xúc tác của vật liệu này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm.

4.1. Phân Hủy Chất Ô Nhiễm Hữu Cơ

Nghiên cứu cho thấy vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm như Rhodamin B dưới ánh sáng UV. Hiệu suất phân hủy cao cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.

4.2. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Tái Tạo

Vật liệu này cũng có thể được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, như pin mặt trời, nhờ vào tính chất quang điện của nó.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp NiFe2O4

Nghiên cứu vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực quang xúc tác. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng tiềm năng ứng dụng của vật liệu này là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và hiệu suất quang xúc tác.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện tính chất quang xúc tác của vật liệu. Việc nghiên cứu thêm về các phương pháp tách vật liệu cũng rất cần thiết.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng

Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm môi trường và năng lượng tái tạo.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để xử lý các chất hữu cơ độc hại là một nhu cầu cấp thiết. Vật liệu nano oxit kẽm (ZnO) được biết đến với khả năng quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ, tuy nhiên, ZnO có độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,27 eV) và tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống nhanh, làm hạn chế hiệu suất quang xúc tác. Đề tài nghiên cứu “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4” nhằm mục tiêu tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch, khảo sát đặc trưng cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm Rhodamin B (RhB) dưới ánh sáng đèn LED. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2019, với phạm vi tập trung vào các mẫu vật liệu có tỷ lệ pha tạp NiFe2O4 từ 10% đến 50% về khối lượng. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu suất quang xúc tác của ZnO mà còn tạo điều kiện thuận lợi trong việc tách vật liệu sau phản ứng nhờ tính từ tính của NiFe2O4. Hiệu suất phân hủy RhB đạt tới 78,53% sau 300 phút chiếu sáng với mẫu có 50% NiFe2O4, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Lý thuyết quang xúc tác bán dẫn: Quá trình quang xúc tác dựa trên sự kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn của chất bán dẫn khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm (Eg). Sự tạo thành cặp electron-lỗ trống (e⁻/h⁺) dẫn đến các phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu, phân hủy các chất hữu cơ.
• Mô hình pha tạp và đồng xúc tác: Pha tạp NiFe2O4 vào ZnO nhằm giảm năng lượng vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.
• Khái niệm vật liệu nano: Vật liệu có kích thước hạt khoảng 30 nm, có diện tích bề mặt riêng lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và phản ứng bề mặt.
• Phương trình động học bậc 1: Phản ứng phân hủy RhB tuân theo động học bậc 1, thể hiện qua sự phụ thuộc tuyến tính của ln(Co/Ct) theo thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Các mẫu vật liệu nano ZnO, NiFe2O4 và ZnO pha tạp NiFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch sử dụng ure làm chất nền. Các mẫu được ký hiệu NF10, NF20, NF30, NF40, NF50 tương ứng với tỷ lệ pha tạp NiFe2O4 từ 10% đến 50%.
• Phương pháp phân tích:
  • Xác định cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ X-ray (XRD).
  • Quan sát hình thái và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
  • Đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET).
  • Phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).
  • Đánh giá năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng bằng phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (DRS).
  • Xây dựng đường chuẩn và đo hiệu suất phân hủy Rhodamin B bằng phổ hấp thụ UV-Vis.
• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu trong vòng 6 tháng, đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong 3 tháng tiếp theo, tổng thời gian nghiên cứu khoảng 9 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Cấu trúc và kích thước hạt: XRD cho thấy các mẫu ZnO có cấu trúc lục phương ổn định, NiFe2O4 có cấu trúc lập phương spinel. Các mẫu NF10 đến NF50 đều chứa pha ZnO và NiFe2O4. Kích thước tinh thể ZnO dao động khoảng 29,7 - 37,7 nm, không thay đổi đáng kể khi pha tạp NiFe2O4. TEM cho thấy hạt nano có hình cầu, kích thước đồng đều khoảng 30 nm.
• Diện tích bề mặt riêng: Diện tích bề mặt riêng tăng từ 3,13 m²/g (ZnO) lên 4,95 m²/g (NF10) và 9,18 m²/g (NF40), cho thấy pha tạp NiFe2O4 làm tăng diện tích bề mặt, hỗ trợ hấp phụ và phản ứng quang xúc tác.
• Năng lượng vùng cấm: Phổ DRS cho thấy năng lượng vùng cấm giảm từ 2,95 eV (ZnO) xuống còn 2,10 eV (NF40), mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến.
• Hiệu suất phân hủy Rhodamin B: Sau 300 phút chiếu sáng, hiệu suất phân hủy RhB tăng từ 33,75% (ZnO) lên 78,53% (NF50) khi có mặt H2O2. Hiệu suất tăng theo tỷ lệ pha tạp NiFe2O4. Phản ứng phân hủy tuân theo động học bậc 1 với hệ số hồi quy cao.
• Ảnh hưởng khối lượng vật liệu và H2O2: Khi khối lượng vật liệu NF40 tăng từ 25 mg đến 75 mg, hiệu suất phân hủy tăng từ 51,7% lên 71,7%, nhưng giảm nhẹ khi tăng lên 100 mg do hiện tượng cản trở phản ứng. Lượng H2O2 tối ưu là 1,5 mL (30%), đạt hiệu suất phân hủy cao nhất 86,1%.

Thảo luận kết quả

Việc pha tạp NiFe2O4 vào ZnO làm giảm năng lượng vùng cấm, mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, đồng thời giảm tốc độ tái tổ hợp electron-lỗ trống nhờ sự chuyển dịch các hạt mang điện giữa ZnO và NiFe2O4. Diện tích bề mặt riêng tăng giúp tăng khả năng hấp phụ RhB trên bề mặt vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Hiệu suất phân hủy RhB tăng rõ rệt khi có mặt H2O2 do cơ chế Photon-Fenton dị thể, tạo ra nhiều gốc hydroxyl tự do có tính oxi hóa mạnh. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu ZnO pha tạp ferit và quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis, giản đồ XRD, và bảng so sánh hiệu suất phân hủy theo tỷ lệ pha tạp và thời gian phản ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp NiFe2O4: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ pha tạp khoảng 40-50% để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ.
• Kiểm soát khối lượng vật liệu sử dụng: Đề xuất sử dụng khối lượng vật liệu trong khoảng 50-75 mg cho mỗi 100 mL dung dịch để đảm bảo hiệu suất phân hủy cao và tránh hiện tượng cản trở phản ứng.
• Sử dụng H2O2 với liều lượng phù hợp: Khuyến nghị bổ sung H2O2 khoảng 1,5 mL (30%) trong quá trình quang xúc tác để tăng sinh gốc hydroxyl, nâng cao hiệu quả phân hủy.
• Phát triển hệ thống quang xúc tác từ tính: Khuyến khích ứng dụng vật liệu ZnO pha tạp NiFe2O4 trong hệ thống xử lý nước thải có thể dễ dàng tách thu hồi bằng nam châm, giảm chi phí và tăng tính bền vững.
• Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Đề xuất nghiên cứu thêm các hợp chất hữu cơ khác và điều kiện chiếu sáng thực tế để đánh giá khả năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Nắm bắt kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano và phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu.
• Chuyên gia môi trường và kỹ sư xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu quang xúc tác mới trong xử lý ô nhiễm hữu cơ, nâng cao hiệu quả xử lý.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý môi trường: Tham khảo công nghệ tổng hợp đốt cháy dung dịch và ứng dụng vật liệu từ tính trong sản phẩm.
• Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 có ưu điểm gì so với ZnO tinh khiết?
   Vật liệu pha tạp có năng lượng vùng cấm thấp hơn, diện tích bề mặt lớn hơn và hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB cao hơn tới 2,3 lần so với ZnO tinh khiết.

2. Phương pháp đốt cháy dung dịch có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu?
   Phương pháp này nhanh chóng, thiết bị đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao và kiểm soát được kích thước hạt, tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp truyền thống.

3. Tại sao cần bổ sung H2O2 trong quá trình quang xúc tác?
   H2O2 giúp tạo ra nhiều gốc hydroxyl tự do, tăng cường khả năng oxi hóa và phân hủy các chất hữu cơ, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

4. Hiệu suất phân hủy RhB phụ thuộc vào những yếu tố nào?
   Hiệu suất phụ thuộc vào tỷ lệ pha tạp NiFe2O4, khối lượng vật liệu, thời gian phản ứng và lượng H2O2 bổ sung.

5. Phản ứng phân hủy RhB có tuân theo động học nào?
   Phản ứng tuân theo động học bậc 1, thể hiện qua sự phụ thuộc tuyến tính của ln(Co/Ct) theo thời gian, giúp dự đoán và tối ưu quá trình phân hủy.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano ZnO pha tạp NiFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch với kích thước hạt khoảng 30 nm và độ tinh khiết cao.
• Pha tạp NiFe2O4 làm giảm năng lượng vùng cấm từ 2,95 eV xuống còn 2,10 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến.
• Diện tích bề mặt riêng tăng đáng kể, hỗ trợ hiệu quả hấp phụ và quang xúc tác.
• Hiệu suất phân hủy Rhodamin B đạt 78,53% với mẫu NF50 sau 300 phút chiếu sáng, phản ứng tuân theo động học bậc 1.
• Đề xuất ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ với khả năng tách thu hồi bằng nam châm, hướng tới phát triển công nghệ xử lý môi trường bền vững.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu quang xúc tác tiên tiến để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.