Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Biến Tính Bởi g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang

Tài liệu nghiên cứu Luận văn tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit catio3 bởi g c3n4 ứng dụng làm chất xúc tác quang, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

Trường đại học

Trường Đại Học Quy Nhơn

Chuyên ngành

Hóa Vô Cơ

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận văn
91
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu của đề tài

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Nội dung nghiên cứu

1.6. Cấu trúc luận văn

2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

2.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG

2.1.1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng

2.1.2. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang

2.2. GIỚI THIỆU VỀ CALCIUM TITANATE

2.2.1. Đặc điểm cấu trúc của calcium titanate

2.2.2. Phương pháp tổng hợp calcium titanate

2.3. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHITIC CARBON NITRIDE (g-C3N4)

2.3.1. Đặc điểm cấu tạo

2.3.2. Phương pháp tổng hợp và tiềm năng ứng dụng của g-C3N4

2.4. GIỚI THIỆU VỀ COMPOSIT g-C3N4/CaTiO3

3. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC

3.1.1. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 từ melamine

3.1.2. Tổng hợp vật liệu perovskit CaTiO3

3.1.3. Tổng hợp vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3

3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray)

3.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

3.2.3. Phương pháp phổ tán xạ khuếch tán tia tử ngoại khả kiến (UV-vis DRS)

3.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

3.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)

3.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG

3.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ

3.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu

3.3.3. Phân tích định lượng methylene blue

4. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

4.1.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4

4.1.2. Đặc trưng vật liệu CaTiO3

4.1.3. Đặc trưng vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3

4.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU

4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ

4.2.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 (x : y)

4.2.3. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng tới quá trình quang xúc tác của vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3

4.2.4. Khảo sát cơ chế phản ứng của quá trình quang xúc tác

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Giới Thiệu

Vật liệu quang xúc tác ngày càng được nghiên cứu sâu rộng trong xử lý ô nhiễm nước. Chúng mang lại nhiều ưu điểm như tính đơn giản, độc tính thấp, độ ổn định hóa học cao và hiệu suất phân hủy tốt đối với các chất hữu cơ. Vật liệu bán dẫn oxit, thông qua quá trình oxy hóa tiên tiến dưới ánh sáng, tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như OH, O2-, giúp phân hủy chất hữu cơ thành vô cơ đơn giản, vô hại. Trong số đó, vật liệu perovskit nổi bật với khả năng quang hóa cao, hoạt động xúc tác ưu việt nhờ biến dạng và khuyết tật mạng tinh thể lớn, tạo thêm các tâm bẫy electron và hạn chế tái hợp cặp lỗ trống-electron. Cấu trúc perovskit với lỗ trống giữa các cation kim loại và anion O2- thúc đẩy hấp phụ oxy, tăng phản ứng xúc tác quang.

1.1. Khái niệm và cơ chế hoạt động của chất xúc tác quang

Phản ứng xúc tác quang xảy ra khi có đồng thời chất xúc tác và ánh sáng. Ánh sáng kích hoạt chất xúc tác, thúc đẩy phản ứng. Trong chất bán dẫn, ánh sáng tạo ra cặp điện tử-lỗ trống, electron trao đổi qua lại giữa các chất bị hấp phụ thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Chất bán dẫn làm xúc tác quang có nhiều ưu điểm: không biến đổi, không cần năng lượng bổ sung, thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thường, sử dụng ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, chất xúc tác rẻ và không độc hại.

1.2. Tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong môi trường

Vật liệu xúc tác quang ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước ô nhiễm hữu cơ, đáp ứng yêu cầu kinh tế và thân thiện môi trường. Nghiên cứu hướng đến xúc tác hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời. Quá trình tái hợp cặp điện tử-lỗ trống quang sinh làm giảm hiệu quả xúc tác quang. Vì vậy, phương pháp tạo vật liệu composit được quan tâm để khắc phục nhược điểm này, ví dụ như g-C3N4/Al2O3, g-C3N4/BiFeO3, g-C3N4/SrTiO3.

II. CaTiO3 Vật Liệu Perovskit Tiềm Năng Cho Xúc Tác Quang

CaTiO3 là một chất xúc tác perovskit điển hình, sở hữu tính chất vật lý và hóa học độc đáo như tính chất điện môi, từ tính cao. Ứng dụng của nó trải rộng trong tụ điện, cảm biến, điện tử, chế tạo gạch và xúc tác quang. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm cao (khoảng 3,45 eV) giới hạn CaTiO3 chủ yếu hoạt động mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại. Việc pha tạp hoặc lai ghép CaTiO3 tạo ra vật liệu mới, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm năng lượng vùng cấm, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác quang.

2.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của CaTiO3

CaTiO3 thuộc loại perovskit II - IV, với cấu trúc tinh thể lý tưởng kiểu lập phương. Cấu trúc này được H. Megaw phát hiện đầu tiên trong khoáng chất CaTiO3. CaTiO3 là chất bán dẫn loại n với năng lượng vùng cấm khoảng 3,45 eV. Ở kích thước nanomet, năng lượng vùng cấm tăng lên khi kích thước hạt giảm. Do đó, CaTiO3 hấp thụ photon vùng bước sóng cao hơn, làm cho nó nổi trội hơn một số perovskit khác trong các quá trình quang hóa.

2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu CaTiO3

CaTiO3 kết tinh như một tế bào (Pbnm) tại nhiệt độ phòng. Cấu trúc này có năng lượng thuận lợi tại nhiệt độ phòng vì hệ số dung sai nhỏ khoảng 0,95. Quá trình chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ lớn hơn 1530 K sang dạng cấu trúc khối Pm3m. Các bát diện TiO6 hình thành bị nghiêng và bị biến dạng do các nguyên tử A (Ca) xung quanh, dẫn đến vùng cấm của vật liệu CaTiO3 và các vật liệu titanate khác là khác nhau.

III. G C3N4 Chất Bán Dẫn Polymer Tiềm Năng Cho Biến Tính

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) là chất bán dẫn không kim loại dạng polymer có cấu trúc lớp, đầy tiềm năng. Ưu điểm của nó bao gồm năng lượng vùng cấm thấp (khoảng 2,7 eV), khả năng hấp thụ tốt ánh sáng khả kiến, thân thiện môi trường và dễ tổng hợp số lượng lớn. Tuy nhiên, g-C3N4 tinh khiết có nhược điểm là quá trình tái kết hợp electron-lỗ trống quang sinh mạnh, làm giảm hoạt tính xúc tác quang. Giải pháp khắc phục là tổng hợp vật liệu mới bằng cách pha tạp hoặc tạo composit giữa g-C3N4 với các chất bán dẫn tương thích.

3.1. Cấu tạo và tính chất quang của g C3N4

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) có cấu trúc lớp, tương tự như graphene, nhưng chứa các nguyên tử nitơ trong mạng lưới carbon. Cấu trúc này tạo ra các tính chất điện tử và quang học độc đáo. Năng lượng vùng cấm của g-C3N4 có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kích thước hạt, cấu trúc bề mặt, hoặc bằng cách pha tạp các nguyên tố khác.

3.2. Ứng dụng tiềm năng và phương pháp tổng hợp g C3N4

G-C3N4 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong xúc tác quang, quang điện, cảm biến, và lưu trữ năng lượng. Nó có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm nhiệt phân các tiền chất giàu nitơ như melamine, dicyandiamide, và urea. Phương pháp nhiệt phân là phương pháp phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả.

IV. Tối Ưu Hóa Composit g C3N4 CaTiO3 Giải Pháp Xúc Tác Quang

Để khắc phục nhược điểm của CaTiO3g-C3N4, một số nghiên cứu đã tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3 bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các composit này phân hủy các hợp chất hữu cơ với hiệu suất xúc tác quang khá cao trong vùng ánh sáng khả kiến. Ở Việt Nam, các công bố về biến tính CaTiO3 để làm xúc tác quang còn hạn chế. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp đơn giản, hiệu quả để tổng hợp loại composit này vẫn được quan tâm.

4.1. Tối ưu tỉ lệ g C3N4 và CaTiO3 cho hoạt tính xúc tác cao

Tỉ lệ tối ưu giữa g-C3N4CaTiO3 là yếu tố quan trọng để đạt được hoạt tính xúc tác quang cao nhất. Tỉ lệ này ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng, sự vận chuyển electron, và sự tái hợp cặp điện tử-lỗ trống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ tối ưu thường nằm trong khoảng từ 1:1 đến 2:1 (g-C3N4:CaTiO3).

4.2. Cơ chế hoạt động của composit g C3N4 CaTiO3

Trong composit g-C3N4/CaTiO3, g-C3N4 hấp thụ ánh sáng khả kiến và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Electron từ g-C3N4 được chuyển sang CaTiO3, làm giảm sự tái hợp và tăng thời gian tồn tại của các điện tích, dẫn đến hiệu suất xúc tác quang cao hơn. Các gốc tự do (OH, O2-) được tạo ra trong quá trình này oxy hóa các chất ô nhiễm.

V. Nghiên Cứu Thực Nghiệm và Đánh Giá Vật Liệu g C3N4 CaTiO3

Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp CaTiO3 từ TiCl4, Ca(NO3)2 và propan-2-ol; g-C3N4 từ melamine và tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3 từ CaTiO3g-C3N4. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổng hợp được khảo sát bằng phản ứng phân hủy MB trong dung dịch nước dưới ánh sáng khả kiến. Các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm.

5.1. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu

G-C3N4 được tổng hợp bằng phương pháp nung từ melamine. Vật liệu perovskit CaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ Ca(NO3)2 và TiCl4. Vật liệu composit g-C3N4/CaTiO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ CaTiO3g-C3N4. Các vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS), phổ UV-vis.

5.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang và cơ chế phản ứng

Hoạt tính xúc tác được đánh giá bởi sự phân hủy hợp chất hữu cơ MB, nồng độ MB được xác định theo phương pháp UV-vis. Cơ chế phản ứng xúc tác quang được khảo sát bằng cách sử dụng các chất dập tắt gốc tự do, và đo điểm đẳng điện của vật liệu composit.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Perovskit Biến Tính

Nghiên cứu thành công tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit CaTiO3 bằng g-C3N4 để tạo composit g-C3N4/CaTiO3 có hoạt tính xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng vật liệu perovskit biến tính cho xử lý ô nhiễm môi trường. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nâng cao hiệu suất xúc tác quang, và khám phá các ứng dụng thực tiễn khác.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu chính

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc biến tính CaTiO3 bằng g-C3N4 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Composit g-C3N4/CaTiO3 thể hiện khả năng phân hủy MB tốt hơn so với CaTiO3g-C3N4 riêng lẻ. Tỉ lệ giữa g-C3N4CaTiO3, cường độ ánh sáng, và pH của dung dịch ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xúc tác quang.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng tiềm năng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp composit g-C3N4/CaTiO3, sử dụng các phương pháp biến tính khác để cải thiện tính chất của vật liệu, và khám phá các ứng dụng tiềm năng khác như xử lý các chất ô nhiễm khác, quang điện, và cảm biến. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu perovskit biến tính bao gồm xử lý nước thải công nghiệp, phân hủy thuốc trừ sâu, và tạo ra năng lượng sạch.

28/05/2025
Luận văn tổng hợp và biến tính vật liệu perovskit catio3 bởi g c3n4 ứng dụng làm chất xúc tác quang trong vùng ánh sáng khả kiến

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu - Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết - Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG 1. Khái niệm về chất xúc tác quang và cơ chế phản ứng Trong hóa học, khái niệm xúc tác quang dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hay nói cách khác quang xúc tác là quá trình xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.

Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống quang sinh và có sự trao đổi electron qua lại giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Việc sử dụng chất bán dẫn làm xúc tác quang hóa và áp dụng vào xử lý môi trƣờng đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm nhiều hơn các phƣơng pháp thông thƣờng khác vì một số ƣu điểm sau: nổi bật nhất là bản thân chất xúc tác không bị biển đổi trong suốt quá trình và không cần cung cấp năng lƣợng khác cho hệ phản ứng, ngoài ra nó cũng có thể thực hiện đƣợc ở nhiệt độ và áp suất thƣờng, có thể sử dụng ánh sáng nhân tạo hoặc bức xạ tự nhiên của mặt trời, chất xúc tác rẻ tiền và không độc hại. Sự phân bố vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện [18] Hình 1.1 cho thấy thành phần của các vùng điện tử trong chất rắn đƣợc xác định rõ ràng. Theo lý thuyết vùng, thì chất bán dẫn có ba vùng: vùng chứa 6 các obitan phân tử liên kết đƣợc sắp xếp đầy đủ các electron gọi là vùng hóa trị (VB-Valance band); vùng chứa các obitan phân tử liên kết sắp xếp còn trống electron đƣợc gọi là vùng dẫn (CB-Conduction band); vùng ngăn cách hai vùng trên gọi là vùng cấm (band gap), năng lƣợng vùng cấm Eg (Band gap energy) đặc trƣng cho độ chênh lệch giữa hai vùng dẫn và vùng hóa trị.

Khi đƣợc kích thích bởi một năng lƣợng đủ lớn (lớn hơn hoặc bằng năng lƣợng vùng cấm) thì electron từ vùng hóa trị (VB) vƣợt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn (CB) của chất bán dẫn. Kết quả là ở vùng hóa trị của chất bán dẫn chứa các lỗ trống mang điện tích dƣơng hay còn đƣợc gọi là lỗ trống quang sinh (photogenerated hole h+VB), còn vùng dẫn của chất bán dẫn lại chứa các electron mang điện tích âm hay còn gọi là electron quang sinh (photogenerated electron e-CB). Cơ chế phản ứng xúc tác quang của chất bán dẫn dƣới bức xạ đƣợc trình bày trong Hình 1. Cơ chế phản ứng của quang xúc tác [18] 7 Dƣới tác dụng của ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp, các electron hóa trị của các chất bán dẫn bị tách khỏi liên kết từ vùng hóa trị (VB) chuyển đến vùng dẫn (CB) tạo ra lỗ trống khuyết điện tử (mang điện tích dƣơng) ở vùng hóa trị.1) Các electron và lỗ trống chuyển đến bề mặt và tƣơng tác với một số chất bị hấp thụ nhƣ nƣớc và oxy tạo ra những chất tự do trên bề mặt chất bán dẫn.

Cơ chế phản ứng xảy ra nhƣ sau [32]: h +VB + H 2O   HO• + H + (1.4) - H 2O + eCB   HO• + HO- (1.5) h +VB + HO-   HO• (1.6) Các gốc tự do HO•, •O2- đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ. Khi tiếp xúc, chúng sẽ oxi hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ tạo sản phẩm CO2 và H2O. Lỗ trống mang điện tích dƣơng tự do chuyển động trong cùng hóa trị, do đó các electron khác có thể nhảy vào để bão hòa điện tích, đồng thời tạo ra lỗ trống tại vì trí mà nó đi khỏi. Các electron quang sinh trên vùng dẫn cũng có xu hƣớng kết hợp với lỗ trống quang sinh ở vùng hóa trị.

Quá trình này gọi là quá trình tái kết hợp của electron - lỗ trống quang sinh. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang Ngày nay, vật liệu xúc tác quang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý các nguồn nƣớc bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu vì đáp ứng 8 đƣợcyêu cầu về hiệu quả kinh tế và thân thiện môi trƣờng. Nhiều vật liệu mới đƣợc nghiên cứu với mục đích quan trọng nhất là hƣớng tới xúc tác hoạt động có hiệu quả dƣới điều kiện ánh sáng mặt trời.

Nhƣ đã đề cập, cơ chế phản ứng quang xúc tác xảy ra nhiều giai đoạn khác nhau. Đối với các chất xúc tác tinh khiết, quá trình tái kết hợp của cặp điện tử - lỗ trống quang sinh xảy ra nhanh làm giảm đáng kể hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm ra các phƣơng pháp khác nhau để khắc phục nhƣợc điểm này. Một trong những phƣơng pháp đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học là phƣơng pháp tạo vật liệu composit.

Cơ chế phản ứng quang xúc tác trên vật liệu composit đƣợc trình bày trong Hình 1. Cơ chế phản ứng của vật liệu biến tính [14] Theo cơ chế này, khi chất bán dẫn đƣợc sự chiếu xạ của ánh sáng có Ehν ≥ Eg, các electron tách khỏi vùng hóa trị, nhảy lên vùng dẫn, tạo nên các cặp electron - lỗ trống quang sinh. 9 Tuy nhiên, khác với chất bán dẫn tinh khiết, electron quang sinh trên vùng dẫn ở chất bán dẫn A, thay vì trở lại vùng hóa trị kết hợp với lỗ trống quang sinh (nhƣ chất bán dẫn tinh khiết), chúng lại nhảy sang vùng dẫn của chất bán dẫn B. Quá trình này làm giảm khả năng tái kết hợp electron - lỗ trống quang sinh, nghĩa là làm tăng thời gian tồn tại electron và lỗ trống, nhờ đó tạo ra càng nhiều gốc tự do HO, O2-.

Đây là những gốc có tính oxy hóa rất mạnh, không chọn lọc, nhờ vậy nó làm tăng khả năng xúc tác quang của vật liệu. Vì vậy có thể thấy rằng, hoạt tính xúc tác quang của vật liệu biến tính tăng cao hơn so với các hợp phần riêng lẻ. Ví dụ nhƣ g-C3N4/Al2O3 [11], g- C3N4/BiFeO3 [26], g-C3N4/SrTiO3 [54]. đã cải thiện rõ rệt hoạt tính xúc tác so với các hợp phần ban đầu g-C3N4, CaTiO3, SrTiO3 và Al2O3.

Tóm lại, có thể thấy rằng phƣơng pháp tạo composit là một trong những hƣớng đi hiệu quả với mục đích làm tăng hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Hƣớng nghiên cứu này có nhiều triển vọng và đã mở rộng việc khai thác tiềm năng xúc tác quang trong thực tiễn. GIỚI THIỆU VỀ CALCIUM TITANATE 1. Đặc điểm cấu trúc của calcium titanate Vật liệu CaTiO3 là vật liệu đầu tiên đƣợc tìm ra với cấu trúc ABO3 ở Nga, tên thông thƣờng của nó là “perovskit” biểu thị tên cho vật liệu dạng ABO3.

CaTiO3 gồm Ca2+ bên A và Ti4+ bên B, thuộc loại perovskit II - IV [6]. Cấu trúc perovskit do H. Megaw phát hiện lần đầu năm 1864 trong khoáng chất CaTiO3. Calcium titanate CaTiO3 có cấu trúc tinh thể lý tƣởng kiểu lập phƣơng với hằng số mạng a = b = c = 3,966 Å, α = β = γ = 90o, các nguyên tử định vị Ca (0; 0; 0), Ti (1/2; 1/2; 1/2), O1 (0; 1/2; 1/2), O2 (1/2; 0; 1/2), O3 (1/2; 1/2; 0) [2].

Mạng lƣới thuộc hệ lập phƣơng, cation Ti4+ nằm ở tâm lập phƣơng, 6 ion O2- nằm ở tâm các mặt, 8 ion Ca2+ nằm ở 8 đỉnh. Cấu trúc của vật liệu perovskite CaTiO3 [6] CaTiO3 là chất bán dẫn loại n, nó có năng lƣợng vùng cấm khoảng 3,45 eV. Ở kích thƣớc nanomet, khi kích thƣớc hạt giảm thì năng lƣợng vùng cấm tăng lên. Do vậy, CaTiO3 có thể hấp thụ photon vùng bƣớc sóng cao hơn.

Những tính chất này làm cho CaTiO3 nổi trội hơn một số perovskit khác trong các quá trình quang hóa. Cấu trúc đơn giản nhất của vật liệu ABO3 là cấu trúc khối. CaTiO3 kết tinh nhƣ một tế bào (Pbnm) tại nhiệt độ phòng. Cấu trúc này của CaTiO3 có năng lƣợng thuận lợi tại nhiệt độ phòng vì hệ số dung sai nhỏ khoảng 0,95.

Quá trình chuyển pha xảy ra ở nhiệt độ lớn hơn 1530 K sang dạng cấu trúc khối Pm3m. Các bát diện TiO6 hình thành bị nghiêng và bị biến dạng do các nguyên tử A (Ca) xung quanh, dẫn đến vùng cấm của vật liệu CaTiO3 và các vật liệu titanate khác là khác nhau [6]. Phƣơng pháp tổng hợp calcium titanate CaTiO3 thuộc nhóm hợp chất quan trọng của họ perovskit. CaTiO3 đƣợc biết đến với tính chất điện môi, phát quang và bán dẫn cao [50].

Perovskit CaTiO3 đã đƣợc tổng hợp thành công và sử dụng hiệu quả cho quá 11 trình phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm nguồn nƣớc, nó cũng đƣợc sử dụng nhƣ quang xúc tác phân tách nƣớc dƣới bức xạ tia tử ngoại [13]. Có rất nhiều phƣơng pháp tổng hợp vật liệu CaTiO3 nhƣ phƣơng pháp trạng thái rắn, phƣơng pháp sol-gel hay phƣơng pháp thủy nhiệt. Trong đó phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc dùng khá phổ biến do một số lợi thế tạo đƣợc sản phẩm có độ tinh khiết cao, đồng nhất, tinh thể, kích thƣớc hạt có thể kiểm soát, hình thái tốt và dụng cụ tổng hợp cũng nhƣ quá trình điều khiển đơn giản hơn. Về phƣơng pháp này có thể kể đến Takeshi Kimijima và cộng sự [46] đã tổng hợp thành công từ các tiền chất chính titanium (IV) tetraisopropoxide và calcium (II) diisopropoxie.

Gaikwad và các cộng sự [43] đã tiến hành tổng hợp vật liệu CaTiO3 bằng phƣơng pháp nung ở pha rắn. Các tác giả đã nung hỗn hợp CaO và TiO2 trong lò nung với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút đến nhiệt độ khoảng 500 oC. Hỗn hợp chất rắn thu đƣợc đem làm nguội và nghiền trong 2 giờ, hỗn hợp thu đƣợc tiếp tục gia nhiệt đến nhiệt độ 1000 oC trong 20 giờ. Năm 2016, công trình tổng hợp vật liệu CaTiO3 bằng phƣơng pháp sol- gel đã đƣợc Kusuma Manjunath và các cộng sự công bố [20].

Theo nhóm tác giả, titanate đƣợc hòa tan trong dung dịch gồm H2O2 và NH3 tạo thành phức titanate - peroxo và đƣợc khuấy liên tục trong nƣớc đá khoảng 3 - 4 giờ thu đƣợc sol-gel có màu vàng. Trộn lƣợng sol-gel này với với tartaric acid theo tỉ lệ tƣơng ứng 1 : 5 đƣợc hỗn hợp màu cam. Sau đó thêm Ca(NO3)2.4H2O, dung dịch thu đƣợc đem đun nóng để loại bỏ H2O2 và NH3 dƣ. Tiếp tục đặt vào lò nung ở nhiệt độ 550 oC trong 90 phút, thu đƣợc CaTiO3.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskit CaTiO3 Biến Tính Bởi g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang" khám phá tiềm năng của vật liệu perovskit CaTiO3 khi được biến tính bằng g-C3N4, nhằm nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và tính chất của vật liệu mà còn chỉ ra những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước và năng lượng tái tạo. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách mà vật liệu này có thể cải thiện hiệu suất quang xúc tác, từ đó mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

Để mở rộng kiến thức của bạn về các vật liệu và ứng dụng liên quan, bạn có thể tham khảo thêm tài liệu Nghiên cứu vật liệu graphitic carbon nitride làm xúc tác cho quang phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm trong nước, nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin về các vật liệu xúc tác khác. Ngoài ra, tài liệu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan dioxit pha tạp bạc trên graphene aerogel cũng sẽ cung cấp cái nhìn về các phương pháp xử lý nước bằng vật liệu tiên tiến. Cuối cùng, tài liệu Nghiên cứu xử lý nước nhiễm mặn bằng graphene oxide sử dụng ánh sáng mặt trời sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các công nghệ xử lý nước hiện đại. Những tài liệu này sẽ là nguồn tài nguyên quý giá cho những ai muốn tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực vật liệu và ứng dụng của chúng.