Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit BaTiO3 với g-C3N4 cho ứng dụng chất xúc tác quang

• Tác giả: Võ Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Kim
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit BaTiO3 Biến Tính Với g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
• 1.1.1. Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng
• 1.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang
• 1.1.3. GIỚI THIỆU VỀ BARI TITANAT
• 1.1.3.1. Đặc điểm cấu trúc của bari titanat
• 1.1.3.2. Phương pháp tổng hợp BaTiO3
• 1.1.3.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của BaTiO3
• 1.1.4. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHIT CACBON NITRUA (g-C3N4)
• 1.1.4.1. Đặc điểm cấu tạo
• 1.1.4.2. Phương pháp tổng hợp và tình hình nghiên cứu của g-C3N4
• 1.1.5. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSIT g-C3N4/BaTiO3
• 1.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 1.2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC
• 1.2.1.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ urê
• 1.2.1.2. Tổng hợp vật liệu perovskit BaTiO3
• 1.2.1.3. Tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3
• 1.2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 1.2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray)
• 1.2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 1.2.2.3. Phương pháp phổ tán xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis-DRS)
• 1.2.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 1.2.2.5. Phương pháp phổ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 1.2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
• 1.2.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 1.2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu
• 1.2.3.3. Phân tích định lượng xanh metylen
• 1.2.3.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen
• 1.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.3.1. ĐẶC TRƯNG VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU PEROVSKIT BaTiO3
• 1.3.1.1. Đặc trưng vật liệu
• 1.3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.3.1.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 1.3.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 1.3.1.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 1.3.1.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis–DRS)
• 1.3.1.7. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu
• 1.3.2. ĐẶC TRƯNG VÀ HOẠT TÍNH XÚC QUANG TÁC VẬT LIỆU COMPOSIT g-C3N4/BaTiO3
• 1.3.2.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4/BaTiO3
• 1.3.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.3.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 1.3.2.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 1.3.2.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X hay EDX (Energy Dispersive X-ray)
• 1.3.2.6. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis–DRS)
• 1.3.2.7. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/BaTiO3
• 1.3.2.8. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 1.3.2.9. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của mẫu vật liệu g-C3N4/BaTiO3 x%
• 1.3.2.10. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu g-C3N4/BaTiO3 x%
• 1.3.2.10.1. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu dung dịch MB
• 1.3.2.10.2. Ảnh hưởng của cường độ nguồn sáng
• 1.3.2.10.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 1.3.2.11. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác
• PHỤ LỤC
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu perovskit BaTiO3 và g C3N4

Vật liệu perovskit BaTiO3 và g-C3N4 là hai loại vật liệu được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác quang. BaTiO3 là một hợp chất perovskit điển hình với cấu trúc ABO3, nổi bật với tính chất điện môi và từ tính cao. g-C3N4 là một chất bán dẫn phi kim loại với năng lượng vùng cấm thấp (khoảng 2.7 eV), có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Sự kết hợp giữa hai vật liệu này tạo ra composit g-C3N4/BaTiO3, mang lại hiệu quả xúc tác quang cao trong vùng ánh sáng khả kiến.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của BaTiO3

BaTiO3 có cấu trúc tinh thể perovskit, với các ion Ba2+ và Ti4+ nằm ở các vị trí A và B tương ứng. Cấu trúc này tạo ra các tính chất vật lý và hóa học độc đáo, đặc biệt là tính chất điện môi và từ tính. Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tổng hợp BaTiO3 với độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng nhất.

1.2. Phương pháp tổng hợp g C3N4

g-C3N4 được tổng hợp từ urê bằng phương pháp nung. Vật liệu này có cấu trúc graphit với các lớp carbon và nitơ liên kết chặt chẽ. Tuy nhiên, g-C3N4 nguyên chất có nhược điểm là dễ tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh, làm giảm hiệu suất xúc tác quang.

II. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu composit g C3N4 BaTiO3

Composit g-C3N4/BaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt, kết hợp g-C3N4 và BaTiO3 với các tỷ lệ khác nhau. Vật liệu này được đặc trưng bằng các phương pháp hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ UV-Vis. Kết quả cho thấy composit g-C3N4/BaTiO3 có cấu trúc tinh thể đồng nhất và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến.

2.1. Phương pháp tổng hợp composit

Composit g-C3N4/BaTiO3 được tổng hợp bằng cách trộn g-C3N4 và BaTiO3 với các tỷ lệ khác nhau (5%, 10%, 15%) và xử lý nhiệt. Phương pháp này đảm bảo sự phân bố đồng đều của g-C3N4 trên bề mặt BaTiO3, tăng cường hiệu quả xúc tác quang.

2.2. Đặc trưng vật liệu

Các phương pháp đặc trưng như XRD, SEM, và UV-Vis được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái bề mặt, và khả năng hấp thụ ánh sáng của composit g-C3N4/BaTiO3. Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng nhất và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến.

III. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của composit g C3N4 BaTiO3

Hoạt tính quang xúc tác của composit g-C3N4/BaTiO3 được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy xanh metylen (MB) trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Kết quả cho thấy composit g-C3N4/BaTiO3 có hiệu suất phân hủy MB cao hơn so với BaTiO3 và g-C3N4 nguyên chất. Các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng, và pH dung dịch cũng được khảo sát để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác.

3.1. Phản ứng phân hủy xanh metylen

Phản ứng phân hủy MB được thực hiện dưới ánh sáng khả kiến với sự có mặt của composit g-C3N4/BaTiO3. Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy MB tăng lên đáng kể khi sử dụng composit g-C3N4/BaTiO3 so với các vật liệu nguyên chất.

3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố thực nghiệm

Các yếu tố như nồng độ MB, cường độ ánh sáng, và pH dung dịch được khảo sát để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác. Kết quả cho thấy hiệu suất phân hủy MB cao nhất đạt được ở nồng độ MB thấp, cường độ ánh sáng cao, và pH trung tính.

IV. Ứng dụng và triển vọng của composit g C3N4 BaTiO3

Composit g-C3N4/BaTiO3 có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Vật liệu này có thể được sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, composit g-C3N4/BaTiO3 cũng có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như cảm biến, tụ điện, và thiết bị điện tử.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Composit g-C3N4/BaTiO3 có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng khả kiến. Vật liệu này có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

4.2. Triển vọng trong các lĩnh vực khác

Ngoài ứng dụng trong xử lý nước thải, composit g-C3N4/BaTiO3 cũng có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như cảm biến, tụ điện, và thiết bị điện tử nhờ vào các tính chất điện môi và từ tính độc đáo.