Nghiên Cứu Về Vật Liệu Nano Đất Hiếm Và Ứng Dụng Trong Xúc Tác Quang

• Tác giả: Lê Hữu Trinh
• Người hướng dẫn: GS.TS Trần Thái Hòa
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Vật Liệu Nano Đất Hiếm Và Ứng Dụng Trong Xúc Tác Quang
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Vật liệu nano oxit đất hiếm
• 1.2. Cấu trúc của oxit đất hiếm
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu
• 2.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu
• 2.3. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ
• 2.3.1. Thiết bị và dụng cụ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Vật liệu nano Nd2O3
• 3.2. Vật liệu nano CeO2 và tính chất xúc tác quang
• 3.2.1. Đặc trưng vật liệu
• 3.2.2. Tính chất xúc tác quang của vật liệu nano CeO2
• 3.3. Vật liệu nano Gd2O3 và Gd(OH)3
• 3.3.1. Vật liệu nano Gd2O3
• 3.3.2. Vật liệu nano Gd(OH)3 và tính chất xúc tác của hệ UV/H2O2/Gd(OH)3
• 3.4. Biến tính vật liệu nano oxit đất hiếm
• 3.4.1. Vật liệu nano CeO2 dạng quả cầu phân cấp pha tạp Neodimium
• 3.4.2. Vật liệu nano Gd(OH)3 dạng thanh pha tạp với Neodimium
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Đất Hiếm Hiện Nay

Trong những thập kỷ gần đây, vật liệu nano thu hút sự chú ý lớn nhờ những tính chất hóa lý độc đáo phát sinh từ hiệu ứng kích thước ở quy mô nanomet. Các oxit kim loại họ Lanthanit cấu trúc nano đặc biệt hấp dẫn do những đặc tính hóa học và vật lý đặc biệt bắt nguồn từ lớp electron 4f. Các nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu Lanthanit ở quy mô nano thể hiện sự tăng cường đáng kể so với dạng khối. Do đó, nghiên cứu tổng hợp và biến tính các hợp chất họ Lanthanit cấu trúc nano để khám phá những tính chất hóa lý và chức năng mới là vô cùng cần thiết. Cho đến nay, nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để tổng hợp vật liệu nano với sự kiểm soát về hình thái, kích thước và thành phần, trong đó phương pháp hóa học nổi bật với khả năng điều chỉnh các thông số tổng hợp để tạo ra các cấu trúc nano đa dạng. Nhiều cấu trúc nano oxit đất hiếm như CeO2, Gd2O3, Nd2O3, Er2O3 đã được nghiên cứu và tổng hợp để khám phá các ứng dụng tiềm năng.

1.1. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu nano đất hiếm

Các vật liệu nano oxit đất hiếm (REO) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác, cảm biến khí, chẩn đoán và điều trị bệnh bằng phương pháp y sinh. Các tính chất đặc biệt của REO ở kích thước nano cho phép chúng tương tác hiệu quả với các phân tử sinh học, mở ra tiềm năng lớn trong hình ảnh sinh học, cảm biến sinh học, phân phối thuốc và các liệu pháp điều trị. Ví dụ, nghiên cứu của Cao và cộng sự [119] đã điều chế thành công các tấm nano Gd2O3 hình vuông, mở đường cho các ứng dụng trong y học.

1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano đất hiếm

Nhiều phương pháp đã được phát triển để tổng hợp vật liệu nano oxit đất hiếm với khả năng kiểm soát hình thái, kích thước và thành phần. Các phương pháp hóa học, như phản ứng kết tủa trong dung môi và phương pháp sol-gel, cho phép điều chỉnh các thông số tổng hợp như hàm lượng tiền chất, chất định hướng cấu trúc, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Điều này cho phép tạo ra các cấu trúc nano khác nhau, từ các hạt không chiều (0D) đến các cấu trúc ba chiều (3D) phức tạp. Nghiên cứu của Zhang và Yan [74, 109, 110, 148] đã phát triển các phương pháp khác nhau để tổng hợp các oxit đất hiếm với hình dạng và kích thước khác nhau.

II. Thách Thức Trong Điều Chế Vật Liệu Nano Đất Hiếm Phân Tán Cao

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong tổng hợp vật liệu nano đất hiếm, việc điều chế các hạt nano có độ phân tán và đồng đều cao về kích thước và hình thái vẫn là một thách thức. Các yếu tố như kiểm soát quá trình hình thành mầm, ngăn chặn sự kết tụ và duy trì tính ổn định của hạt nano trong quá trình tổng hợp đòi hỏi các kỹ thuật và quy trình điều khiển cẩn thận. Ngoài ra, việc lựa chọn tiền chất phù hợp, chất ổn định và điều kiện phản ứng tối ưu là rất quan trọng để đạt được các đặc tính mong muốn của vật liệu nano. Theo sự hiểu biết của chúng tôi, ở Việt Nam vẫn chưa có một công trình nghiên cứu có hệ thống về nhóm vật liệu này.

2.1. Kiểm soát kích thước và hình thái hạt nano đất hiếm

Việc kiểm soát kích thước và hình thái của hạt nano đất hiếm là rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất quang, điện và xúc tác của vật liệu. Các phương pháp tổng hợp thường sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các phân tử hữu cơ để kiểm soát sự phát triển của hạt nano và ngăn chặn sự kết tụ. Tuy nhiên, việc loại bỏ hoàn toàn các chất này sau khi tổng hợp mà không làm thay đổi kích thước và hình thái của hạt nano vẫn là một thách thức lớn. Cần có sự nghiên cứu sâu hơn để phát triển các phương pháp hiệu quả hơn để kiểm soát kích thước và hình thái hạt nano.

2.2. Độ ổn định của vật liệu nano đất hiếm

Tính ổn định của vật liệu nano đất hiếm trong các điều kiện khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ cao, môi trường axit hoặc bazơ, và sự hiện diện của các chất khác, là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Các hạt nano có xu hướng kết tụ hoặc bị biến đổi cấu trúc khi tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của chúng. Các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của vật liệu nano bằng cách sử dụng các lớp phủ bảo vệ hoặc bằng cách pha tạp với các nguyên tố khác. Cần có thêm nghiên cứu để phát triển các vật liệu nano đất hiếm có độ ổn định cao hơn trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương Pháp Polyol Tổng Hợp Nano Đất Hiếm Ưu Điểm Nổi Bật

Phương pháp polyol là một phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu nano kim loại và oxit kim loại, bao gồm cả oxit đất hiếm. Phương pháp này sử dụng một polyol (như ethylene glycol, triethylene glycol) làm dung môi và chất khử, giúp kiểm soát kích thước hạt và ngăn chặn sự kết tụ. Ưu điểm của phương pháp polyol bao gồm chi phí thấp, quy trình đơn giản, khả năng tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và độ phân tán cao. Trong luận án này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp polyol để tổng hợp các cấu trúc nano Gd2O3 và Gd(OH)3, ứng dụng trong phản ứng oxy hóa khử nâng cao.

3.1. Cơ chế phản ứng trong phương pháp polyol

Trong phương pháp polyol, các ion kim loại được hòa tan trong dung môi polyol và sau đó bị khử thành kim loại hoặc oxit kim loại bởi chính dung môi hoặc bởi một chất khử khác. Nhiệt độ và thời gian phản ứng có thể được điều chỉnh để kiểm soát tốc độ khử và sự phát triển của hạt nano. Các phân tử polyol cũng đóng vai trò là chất ổn định, ngăn chặn sự kết tụ của hạt nano bằng cách bao phủ bề mặt của chúng và tạo ra một lớp bảo vệ. Quá trình hình thành mầm tinh thể và phát triển hạt nano trong phương pháp polyol tuân theo các cơ chế khác nhau, bao gồm cơ chế Ostwald ripening và cơ chế định hướng tấn công.

3.2. Ứng dụng phương pháp polyol để tổng hợp Gd2O3

Phương pháp polyol có thể được sử dụng để tổng hợp các hạt nano Gd2O3 có kích thước và hình thái khác nhau bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng như nhiệt độ, thời gian và nồng độ tiền chất. Chúng tôi đã phát triển một quy trình đơn giản để tổng hợp các cấu trúc nano Gd2O3 và Gd(OH)3 bằng phương pháp polyol, sau đó đánh giá hoạt tính xúc tác của chúng trong phản ứng oxy hóa khử nâng cao. Các hạt nano Gd2O3 tổng hợp bằng phương pháp polyol thể hiện các tính chất quang và từ tính độc đáo, làm cho chúng trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng y sinh và xúc tác.

IV. Ứng Dụng Xúc Tác Quang Của Vật Liệu Nano CeO2 Nghiên Cứu Mới

CeO2 (ceria) là một oxit đất hiếm có tính chất bán dẫn và khả năng thay đổi trạng thái oxy hóa giữa Ce4+ và Ce3+, làm cho nó trở thành một vật liệu xúc tác hiệu quả. Vật liệu nano CeO2 đặc biệt hấp dẫn trong xúc tác quang do diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng UV-Vis. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kích thước, hình thái và khuyết tật bề mặt của CeO2 ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xúc tác của nó. Trong luận án này, chúng tôi đã phát triển các phương pháp hóa học đơn giản để tổng hợp cấu trúc nano CeO2 và đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa của chúng.

4.1. Ảnh hưởng của hình thái CeO2 đến hoạt tính xúc tác

Hình thái của vật liệu nano CeO2 có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác của nó. Ví dụ, CeO2 hình thoi thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn so với các hình dạng khác như que nano, ống nano và tấm nano trong phản ứng hình thành dimethyl carbonate [45]. Điều này là do các khuyết tật của mặt tinh thể (111) tạo ra nhiều tâm xúc tác axit-bazơ, thuận lợi cho phản ứng. Zhou và cộng sự [11] cũng báo cáo rằng xúc tác que nano CeO2 thể hiện hoạt tính oxy hóa etanol và độ chọn lọc CO2 cao hơn so với dạng ống nano.

4.2. Ứng dụng xúc tác quang của CeO2 trong xử lý ô nhiễm

Vật liệu nano CeO2 đã được sử dụng rộng rãi trong xúc tác quang để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Khi được chiếu sáng bằng tia UV hoặc ánh sáng nhìn thấy, CeO2 tạo ra các cặp electron-lỗ trống, có thể oxy hóa hoặc khử các chất ô nhiễm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng CeO2 có thể phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm, phenol và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Trong luận án này, chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng của CeO2 trong việc phân hủy xanh methylen (MB) dưới ánh sáng UV.

V. Biến Tính Vật Liệu Nano Đất Hiếm Bằng Pha Tạp Neodimium

Pha tạp là một phương pháp hiệu quả để cải thiện các tính chất của vật liệu nano, bao gồm cả vật liệu nano đất hiếm. Việc đưa các ion kim loại khác vào cấu trúc tinh thể của oxit đất hiếm có thể thay đổi cấu trúc điện tử, tạo ra các khuyết tật và cải thiện các tính chất quang, điện và xúc tác. Neodimium (Nd) là một nguyên tố đất hiếm thường được sử dụng làm chất pha tạp để cải thiện các tính chất của các oxit đất hiếm khác. Trong luận án này, chúng tôi đã nghiên cứu việc pha tạp Neodimium vào CeO2 và Gd(OH)3 để cải thiện hoạt tính xúc tác của chúng.

5.1. Vật liệu nano CeO2 pha tạp Neodimium Nd CeO2

Việc pha tạp Neodimium vào CeO2 có thể cải thiện hoạt tính xúc tác của nó bằng cách tăng số lượng khuyết tật oxy và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng. Các ion Nd3+ có thể thay thế các ion Ce4+ trong cấu trúc tinh thể của CeO2, tạo ra các vị trí trống oxy để duy trì sự trung hòa điện. Các vị trí trống oxy này có thể hoạt động như các trung tâm hoạt động cho các phản ứng xúc tác. Ngoài ra, Nd3+ có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng UV-Vis, làm tăng hiệu quả hấp thụ ánh sáng của CeO2 và cải thiện hoạt tính xúc tác quang của nó.

5.2. Vật liệu nano Gd OH 3 pha tạp Neodimium Nd Gd OH 3

Pha tạp Neodimium vào Gd(OH)3 có thể thay đổi cấu trúc tinh thể và cải thiện các tính chất phát quang của nó. Các ion Nd3+ có thể thay thế các ion Gd3+ trong cấu trúc tinh thể của Gd(OH)3, dẫn đến sự thay đổi về kích thước và hình dạng của các hạt nano. Việc pha tạp Nd cũng có thể tạo ra các trung tâm phát quang mới trong Gd(OH)3, làm tăng cường cường độ phát quang của vật liệu. Chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc pha tạp Nd đến cấu trúc và tính chất của Gd(OH)3, cũng như hoạt tính xúc tác của nó trong phản ứng oxy hóa khử nâng cao.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Đất Hiếm

Nghiên cứu về vật liệu nano đất hiếm đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như xúc tác, y sinh và năng lượng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, bao gồm việc kiểm soát kích thước, hình thái và độ ổn định của hạt nano, cũng như việc tối ưu hóa các quy trình tổng hợp và biến tính. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và hiệu quả hơn, cũng như vào việc khám phá các ứng dụng mới của vật liệu nano đất hiếm trong các lĩnh vực khác nhau. Hơn nữa, việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng và mối quan hệ cấu trúc-tính chất là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu nano đất hiếm trong các ứng dụng khác nhau.

6.1. Triển vọng ứng dụng vật liệu nano đất hiếm trong tương lai

Vật liệu nano đất hiếm có tiềm năng to lớn để giải quyết nhiều thách thức quan trọng trong xã hội, từ việc cung cấp năng lượng sạch đến việc cải thiện sức khỏe con người. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm pin mặt trời hiệu suất cao, cảm biến sinh học nhạy bén, hệ thống phân phối thuốc thông minh và xúc tác hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực này sẽ mở đường cho các công nghệ mới và đột phá, mang lại lợi ích cho xã hội và môi trường.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu nano đất hiếm

Hướng nghiên cứu trong tương lai về vật liệu nano đất hiếm nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp bền vững và thân thiện với môi trường, cũng như vào việc khám phá các cấu trúc nano mới và độc đáo. Nghiên cứu về các vật liệu lai kết hợp vật liệu nano đất hiếm với các vật liệu khác, chẳng hạn như polymer hoặc carbon nanotubes, cũng có thể mang lại các tính chất và ứng dụng mới. Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp mô phỏng và tính toán để hiểu rõ hơn về các tính chất và cơ chế phản ứng của vật liệu nano đất hiếm là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của chúng.