Luận án tiến sĩ hóa học: Xử lý DDT và γ-HCH trên kim loại và oxide kim loại mang trên g-C3N4

Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu xử lý DDT và γ-HCH trên kim loại và oxide kim loại mang trên g-C3N4 bằng phương pháp phiếm hàm mật độ.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ hóa học

2022

158
3
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

0.5. Những điểm mới của luận án

0.6. Bố cục của luận án

0.7. Lý thuyết phiếm hàm mật độ

0.7.1. Cơ sở của lý thuyết phiếm hàm mật độ

0.7.2. Hiệu chỉnh tương tác phân tán trong các tính toán DFT – phương pháp DFT-D

0.7.3. Lý thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD - DFT)

0.7.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ liên kết chặt GFN-xTB

0.7.4.1. Tổng quan về phương pháp GFN-xTB
0.7.4.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp GFN-xTB

0.7.5. Phương pháp động lực học phân tử Moleculer Dynamic (MD)

0.7.5.1. Thế năng tương tác giữa các hạt trong hệ
0.7.5.2. Tích phân phương trình chuyển động, thuật toán Verlet

1. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

1.1. Graphitic carbon nitride (g-C3N4)

1.2. Vật liệu quang xúc tác. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3. Phương pháp tính toán

2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

2.1. CẤU TRÚC HÌNH HỌC, TÍNH CHẤT ELECTRON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA g-C3N4

2.1.1. Cấu trúc hình học của g-C3N4

2.1.2. Tính chất electron và tính chất quang của g-C3N4

2.2. BIẾN TÍNH g-C3N4 BẰNG NGUYÊN TỬ KIM LOẠI (Me) VÀ CLUSTER OXIDE KIM LOẠI (MexOy)

2.2.1. Biến tính g-C3N4 bởi các kim loại Me (K, Ca, Ga, Fe, Ni, và Cu)

2.2.2. Biến tính g-C3N4 bởi các oxide kim loại MexOy (ZnO, TiO2)

2.3. TÍNH CHẤT ELECTRON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HỆ VẬT LIỆU Me (Me = Ni, Fe)/g-C3N4, TiO2/g-C3N4

2.4. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA DDT VÀ HCH TRÊN g-C3N4, Me/g-C3N4 (Me = Fe, Ni) VÀ TiO2/g-C3N4

2.4.1. Cấu trúc hình học và tính chất electron của DDT, HCH

2.4.2. Khả năng hấp phụ của DDT và HCH trên g-C3N4, Me/g-C3N4 (Me = Fe, Ni) và TiO2/g-C3N4

2.5. ĐỀ XUẤT CƠ CHẾ MỚI VỀ SỰ PHÂN HỦY DDT VÀ HCH DƯỚI TÁC DỤNG XÚC TÁC QUANG

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Nghiên cứu xử lý DDT và γ HCH

Nghiên cứu tập trung vào việc xử lý hai hợp chất độc hại là DDTγ-HCH thông qua các phương pháp hóa học tiên tiến. DDTγ-HCH là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nghiên cứu này sử dụng kim loạioxide kim loại được mang trên g-C3N4 để tăng hiệu quả xử lý. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) được áp dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của các vật liệu này. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ và phân hủy DDTγ-HCH được cải thiện đáng kể khi sử dụng g-C3N4 biến tính.

1.1. Xử lý hóa học và tác động môi trường

Xử lý hóa học là phương pháp chính được sử dụng để phân hủy DDTγ-HCH. Các hợp chất này có tác động môi trường nghiêm trọng do tính bền vững và độc tính cao. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng g-C3N4 biến tính với kim loạioxide kim loại giúp tăng hiệu quả phân hủy, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Phương pháp phiếm hàm mật độ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phân hủy và tối ưu hóa quá trình xử lý.

1.2. Công nghệ xử lý và phân tích hóa học

Công nghệ xử lý được đề xuất trong nghiên cứu kết hợp giữa hấp phụ và xúc tác quang. Phân tích hóa học cho thấy g-C3N4 biến tính có khả năng hấp phụ cao đối với DDTγ-HCH, đồng thời tăng cường hiệu suất phân hủy dưới ánh sáng. Phương pháp phiếm hàm mật độ được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, đảm bảo hiệu quả xử lý cao nhất.

II. Kim loại và oxide kim loại trên g C3N4

Nghiên cứu tập trung vào việc biến tính g-C3N4 bằng cách sử dụng các kim loạioxide kim loại như Fe, Ni, TiO2, và ZnO. Các vật liệu này được chọn do khả năng tăng cường hiệu suất hấp phụ và xúc tác quang của g-C3N4. Phương pháp phiếm hàm mật độ được áp dụng để phân tích cấu trúc electron và tính chất quang của các vật liệu biến tính. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc và tính chất của g-C3N4 khi được biến tính, dẫn đến hiệu quả xử lý DDTγ-HCH cao hơn.

2.1. Biến tính g C3N4 bằng kim loại

Việc biến tính g-C3N4 bằng các kim loại như FeNi giúp cải thiện khả năng hấp phụ và xúc tác quang. Phương pháp phiếm hàm mật độ cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc electron của g-C3N4, dẫn đến giảm năng lượng vùng cấm và tăng hiệu suất phân hủy DDTγ-HCH. Các kim loại này cũng giúp giảm tốc độ tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh, tăng cường hiệu quả xử lý.

2.2. Biến tính g C3N4 bằng oxide kim loại

Các oxide kim loại như TiO2ZnO được sử dụng để biến tính g-C3N4, giúp tăng cường hiệu suất hấp phụ và xúc tác quang. Phương pháp phiếm hàm mật độ phân tích sự thay đổi trong cấu trúc và tính chất quang của vật liệu, cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy DDTγ-HCH. Các oxide kim loại này cũng giúp cải thiện tính ổn định và độ bền của vật liệu trong quá trình xử lý.

III. Phương pháp phiếm hàm mật độ và ứng dụng

Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) là công cụ chính được sử dụng trong nghiên cứu để phân tích cấu trúc và tính chất của các vật liệu. Phương pháp này giúp tối ưu hóa cấu trúc electron của g-C3N4 biến tính, đảm bảo hiệu quả cao trong việc xử lý DDTγ-HCH. Nghiên cứu cũng đề xuất các cơ chế phân hủy mới dựa trên kết quả phân tích bằng phiếm hàm mật độ, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học môi trường.

3.1. Tối ưu hóa nội dung và phân tích cấu trúc

Phương pháp phiếm hàm mật độ được sử dụng để tối ưu hóa nội dung và phân tích cấu trúc của các vật liệu. Kết quả cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc electron của g-C3N4 khi được biến tính, dẫn đến hiệu quả xử lý cao hơn. Phương pháp này cũng giúp xác định các thông số tối ưu cho quá trình hấp phụ và phân hủy DDTγ-HCH.

3.2. Ứng dụng thực tiễn và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu đề xuất các ứng dụng thực tiễn của g-C3N4 biến tính trong việc xử lý DDTγ-HCH. Phương pháp phiếm hàm mật độ cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc phát triển các công nghệ xử lý mới. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo, bao gồm việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác của hóa học môi trường.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu khả năng xử lý ddt và γ hch trên một số kim loại và oxide kim loại mang trên g c3n4 bằng phương pháp phiếm hàm mật độ liên kết chặt

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: 18 trang; Chương 2: 14 trang; Chương 3: 86 trang. Kết luận và kiến nghị: 3 trang; Danh mục công trình công bố: 1 trang; Tài liệu tham khảo: 16 trang. Lý thuyết phiếm hàm mật độ 1. Cơ sở của lý thuyết phiếm hàm mật độ [82] Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) được sử dụng trong vật lý và hóa học để nghiên cứu tính chất electron của nguyên tử, phân tử… Trong lý thuyết phiếm hàm mật độ, mật độ electron chỉ phụ thuộc vào ba biến tọa độ không gian mà không phụ thuộc vào số electron trong hệ [69].

Do đó khi sử dụng DFT để tính toán cấu trúc electron của hệ, quá trình tính toán được thực hiện nhanh hơn và đơn giản hơn mà vẫn đạt được sự gần đúng trong các phép tính rất cao [67],[86],[99]. Vì vậy DFT là một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất trong hóa học tính toán. Lý thuyết DFT mô tả trạng thái hệ N electron theo hàm mật độ ρ(r) của hệ. Về mặt toán học biểu thức của mật độ electron được xác định bằng công thức:  ρ r1 = N  .1) Với xi là tọa độ bao gồm tọa độ không gian ri và tọa độ spin σi của electron i.

ρ(r) xác định xác suất tìm thấy bất kì N electron trong thể tích nguyên tố dr. ρ(r) là hàm không âm của các biến không gian x, y, z; tích phân trong toàn bộ không gian sẽ cho ta toàn bộ số electron.2) Phương trình Schrödinger: Ĥ = E (1.3) Áp dụng sự gần đúng Born-Oppeiheimer, toán tử Hamilton là tổng của ba thành phần, gồm: động năng của các electron, thế năng tương tác hút giữa electron và hạt nhân, thế năng tương tác đẩy giữa các e- - e- nên ta viết được: 1 N 2 Nat Zα N 1 H=-  2 i  i -  α ri -R α +  i<j ri -rj (1.4) Số hạng đầu biểu thị động năng của các electron, số hạng thứ 2 biểu thị thế năng của các electron đến mỗi hạt nhân, số hạng thứ 3 biểu thị tổng thế năng của các electron. Mô hình Thomas – Fermi Năm 1927, ngay sau khi cơ học lượng tử đã chính thức được xác lập, Thomas và Fermi đã tìm ra một biểu thức năng lượng Thomas – Fermi cho nguyên tử dựa trên mật độ electron là: 3 ρ(r) 1 ρ(r )ρ(r ) E TF [ρ] = (3π 2 ) 2/3  ρ5/3 (r)dr-Z dr +  dr1dr2 1 2 (1.5) 10 R-r 2 r1 -r2 Trong đó, Z là điện tích của hạt nhân, R là vectơ tọa độ của hạt nhân, r là vectơ tọa độ electron. Phương trình này chỉ áp dụng được cho nguyên tử (có một hạt nhân).

Mô hình Thomas – Fermi quá đơn giản, độ chính xác thấp, chỉ nghiệm đúng trong một số ít trường hợp. Sau này, Hohenberg và Kohn đã đưa ra lí thuyết phiếm hàm mật độ. Họ đã chỉ ra rằng một hệ lượng tử N electron chuyển động trong một trường thế ngoài Vext (r) ứng với toán tử Halmiton Ĥ có một trị riêng năng lượng và hàm sóng ở trạng thái cơ bản được xác định hoàn toàn bằng cách cực tiểu hóa năng lượng toàn phần như một phiếm hàm của hàm sóng. Các định lí Hohenberg – Kohn - Định lí Hohenberg – Kohn thứ nhất: Thế ngoài Vext (r ) (trong giới hạn một hằng số) là một phiếm hàm đơn nhất của  (r ) ; Mật độ electron  (r ) xác định được khi có một thế ngoài Vext (r ).

Do đó, mật độ electron  (r ) xác định được số electron N của hệ, xác định được hàm sóng ψ ở trạng thái cơ bản và tất cả các tính chất của hệ. Ta có thể viết: Eo [ρo ] = T[ρo ] + Eee [ρo ] + E Ne [ρo ] (1.6) Ta có thể phân tách phần năng lượng do tương tác hạt nhân – electron (có dạng phụ thuộc vào hệ cụ thể) và phần còn lại có dạng chung độc lập với N, vị trí và điện tích hạt nhân: Eo [o ] = T [o ] + Eee [o ] +  o (r )VNedr (1.7) Định nghĩa phiếm hàm Hohenberg – Kohn FHK [ρo ] = T[ρo ] + Eee [ρo ] (1.8) Ta viết lại: 10 E o [ρ o ] = FHK [ρo ] +  ρ o (r)VNe dr (1.9) Nếu biết chính xác phiếm hàm FHK [ρo ] , thì có thể giải được chính xác phương trình Schrödinger. Nhưng chúng ta vẫn chưa biết được dạng chính xác được của T[ρo ] và Eee[ρ o ] .10) Việc tìm dạng của các phiếm hàm J[ρ] và K[ρ] là thách thức lớn trong thuyết phiếm hàm mật độ. - Định lí của Hohenberg – Kohn thứ hai: Đối với một mật độ electron thử ρ(r) cho trước thỏa mãn ρ(r)  0 và  ρ(r)dr = N thì E 0  E ρ(r).

Kết hợp cả định lí Hohenberg – Kohn thứ nhất và thứ hai, có thể nói rằng phiếm hàm Hohenberg – Kohn, FHK[(r)], giữ một vai trò khá quan trọng trong thuyết DFT. Vì FHK[(r)] được định nghĩa độc lập với thế ngoài V ext nên nếu biết dạng tường minh của FHK[(r)], tức là của J[] và K[] thì sẽ giải được Schrödinger. Nhiệm vụ chính của phương pháp DFT hiện nay là đi tìm dạng cụ thể của J[] và K[]. Phương trình Kohn – Sham Để giải quyết sự tồn tại trên, Kohn và Sham đề xuất cách lập các phiếm hàm trên bằng cách đưa vào các orbital không tương tác, trong đó mật độ ở trạng thái cơ bản của hệ không tương tác bằng với mật độ trạng thái cơ bản của hệ thống tương tác.

Những orbital này được gọi là orbital Kohn – Sham (KS) hay hàm sóng KS. Động năng của hệ không tương tác Ts[(r)] sai khác với động năng của hệ thực T[(r)] một lượng là: (T[(r)] - Ts[(r)]). Phần sai khác này cộng với K[(r)] được gọi là số hạng năng lượng tương quan trao đổi Exc[(r)].12) 11 Dùng nguyên lí biến phân cho     sẽ dẫn đến các phương trình KS có dạng:  h 2 2 M ZI e2 ρ  r2  e2   - 1  - +  dr2 +VXC  r1   ψi  r1  = ε i ψi  r1  (1.13)  2me I=1 r12 r12  Theo đó, trong dấu móc của (1.13) thì: - Số hạng thứ nhất biểu thị toán tử động năng của các electron. - Số hạng thứ hai biểu thị toán tử năng lượng hút hạt nhân – electron, tổng này được lấy qua tất cả các hạt nhân theo chỉ số I, nguyên tử số là ZI.

- Số hạng thứ ba biểu thị toán tử năng lượng tương tác Coulomb giữa 2 mật độ     electron toàn phần ρ r1  , ρ r2  tại r1 , r2 tương ứng.    i  r  là hàm không gian 1 electron, còn gọi là orbital KS. ρ r  là mật độ điện  tích hay mật độ electron trạng thái cơ bản tại vị trí r. ε i là năng lượng orbital KS.

VXC là thế trao đổi – tương quan, là đạo hàm của phiếm hàm năng lượng trao đổi Ε XC ρ, có biểu thức: δΕ XC ρ  VXC = (1.14) δρ Nếu biết được dạng của Ε XC ρ thì giải được phương trình (1.13) theo phương  pháp trường tự hợp SCF, thu được các hàm orbital không gian 1 electron là  i  r1 .  Từ các orbital Kohn – Sham có thể tính được ρ r  theo biểu thức: N ρ  r  =  ψi  r  .15) i=1 Nhưng hiện nay dạng của Ε XC ρ mới chỉ đưa ra ở dạng gần đúng, sự phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT là tập trung vào việc làm sao để có phiếm hàm Ε XC ρ ngày càng tốt hơn. Hiệu chỉnh tương tác phân tán trong các tính toán DFT – phương pháp DFT-D [46],[47] Lý thuyết phiếm hàm mật độ dựa trên các phương trình Kohn – Sham (KS- 12 DFT) hiện là phương pháp được sử dụng rộng rãi để tính toán cấu trúc electron trong vật lý chất rắn và hóa học lượng tử. Tuy nhiên, một nhược điểm chung của tất các các phiếm hàm GGA thông thường, bao gồm cả các phiếm hàm lai (hybrid), khi thay thế một phần phiếm hàm địa phương bằng hàm không địa phương dạng HF, là không thể mô tả được tương tác electron ở khoảng cách xa (long – range), tức là các tương tác van der Walls (vdW), hay còn gọi là tương tác phân tán.

Tương tác vdW đóng một vai trò rất quan trọng trong nhiều quá trình hóa học, chẳng hạn trong cấu trúc của các phân tử sinh học lớn như DNA, các tương tác dạng “khách – chủ”, và đặc biệt, tương tác vdW đóng vai trò quan trọng trong các quá trình hấp phụ. Một quá trình hấp phụ vật lí, được coi như là chịu sự chi phối chủ yếu của các tương tác vdW. Các phương pháp DFT có tính tới hiệu chỉnh các tương tác vdW đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu thu hút sự nhiều quan tâm chú ý của các nhà hóa học lý thuyết với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Tuy nhiên, xuất phát từ thực tế, là cần tập trung vào tính chính xác, hiệu quả cũng như tốc độ tính toán của phương pháp, thì cách tiếp cận sử dụng các hiệu chỉnh cho thừa số thực nghiệm C6×R-6 đối với các phiếm hàm tiêu chuẩn được coi là cách tiếp cận có tính khả thi nhất.

Trong số các phương pháp DFT có hiệu chỉnh tương tác vdW, các phương pháp DFT-D2 được đề xuất bởi Grimme và cộng sự [34], [47] được sử dụng phổ biến nhất do hiệu quả cao và tốc độ tính toán nhanh. Nhóm nghiên cứu của Grimme và cộng sự hiện đã phát triển tới thế hệ thứ tư của phương pháp DFT-D (DFT-D4). Phương pháp DFT-D (với các phiếm hàm BLYP và PBE), đã chứng tỏ độ chính xác cao trong nhiều bài toán khác nhau. Ban đầu phương pháp này có một số khó khăn như sau: - Các thông số (hệ số C6) chỉ có sẵn cho các nguyên tố H, C-Ne.

Chưa có cho các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. - Các phép tính cho các phân tử chứa các nguyên tử chu kì 3 cho thấy có sai số hệ thống. - Việc bổ sung năng lượng phân tán vào năng lượng tính được từ phương pháp KS-DFT dẫn đến sự không phù hợp theo quan điểm nhiệt động học, ví dụ: năng lượng nguyên tử: năng lượng phân tán đối với các nguyên tử tự do là 0, trong 13 khi đối với phân tử thì lại luôn khác 0.

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

Nghiên cứu xử lý DDT và γ-HCH trên kim loại và oxide kim loại mang trên g-C3N4 bằng phương pháp phiếm hàm mật độ là một tài liệu chuyên sâu về việc ứng dụng phương pháp tính toán phiếm hàm mật độ (DFT) để nghiên cứu quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại như DDT và γ-HCH trên các vật liệu kim loại và oxide kim loại được mang trên nền g-C3N4. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp hiểu biết sâu về cơ chế phản ứng mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả, thân thiện với môi trường. Đây là nguồn tài liệu quý giá cho các nhà nghiên cứu và sinh viên trong lĩnh vực hóa học môi trường và công nghệ xúc tác.

Để mở rộng kiến thức về các phương pháp xúc tác tiên tiến, bạn có thể tham khảo thêm Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học nghiên cứu xúc tác nano vàng trên chất mang yal2o3, nghiên cứu về xúc tác nano vàng trong phản ứng oxi hóa chọn lọc. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học nghiên cứu hoạt tính xúc tác của mof zn3 5 pdc cung cấp thông tin chi tiết về ứng dụng của vật liệu MOF trong các phản ứng hóa học. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu phản ứng ghép đôi oxy hóa là một tài liệu tham khảo hữu ích về xúc tác perovskite trong các phản ứng ghép đôi. Mỗi liên kết là cơ hội để bạn khám phá sâu hơn về các chủ đề liên quan.