Luận án tiến sĩ: Tổng hợp biến tính vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm và đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa

• Tác giả: Lê Hữu Trinh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thái Hòa
• Trường học: Đại học Huế - Trường Đại học Khoa học
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Tổng hợp, biến tính vật liệu nano của một số nguyên tố đất hiếm và đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Huế

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Vật liệu nano oxit đất hiếm
• 1.2. Cấu trúc của oxit đất hiếm
• 1.3. Tổng quan về nano gadolini oxit
• 1.4. Tổng quan về nano neodymi oxit
• 1.5. Tổng quan về nano ceri oxit
• 1.6. Một số phương pháp hóa học điều chế vật liệu nano
• 1.6.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.6.2. Phương pháp nhiệt dung môi
• 1.7. Quá trình oxy hóa – khử nâng cao và ứng dụng
• 1.7.1. Quá trình oxy hóa – khử nâng cao
• 1.7.2. Ứng dụng vật liệu nano oxit đất hiếm trong xúc tác quang
• 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. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 2.2.3. Hóa chất và thiết bị, dụng cụ
• 3. CHƯƠNG III: 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 que pha tạp với Neodimium
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng hợp vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm

Tổng hợp vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học vật liệu. Các phương pháp như thủy nhiệt, nhiệt dung môi, và polyol được sử dụng để điều chế các cấu trúc nano đa dạng như CeO2, Nd2O3, và Gd2O3. Những vật liệu này có tính chất vật lý và hóa học độc đáo, phù hợp cho các ứng dụng trong xúc tác quang hóa và phản ứng oxy hóa khử nâng cao. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng kích thước và hình thái của vật liệu nano ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xúc tác.

1.1. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một trong những kỹ thuật phổ biến để tổng hợp vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm. Quá trình này diễn ra trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các cấu trúc nano đồng nhất. Ví dụ, CeO2 được tổng hợp bằng phương pháp này cho thấy hiệu suất xúc tác quang hóa cao do cấu trúc bề mặt đặc biệt.

1.2. Phương pháp polyol

Phương pháp polyol sử dụng các hợp chất hữu cơ như triethylene glycol để điều chế vật liệu nano với độ phân tán cao. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả trong việc tổng hợp Gd2O3 và Gd(OH)3, những vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong phản ứng oxy hóa khử nâng cao. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng Gd2O3 tổng hợp bằng phương pháp polyol có khả năng phân hủy các chất hữu cơ độc hại dưới tác dụng của tia UV.

II. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa

Đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa của vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm là bước quan trọng để xác định hiệu suất ứng dụng. Các nghiên cứu tập trung vào việc đo lường khả năng phân hủy các chất hữu cơ như methylene blue và Congo red dưới tác dụng của tia UV. Kết quả cho thấy CeO2 và Gd(OH)3 có hoạt tính xúc tác cao, đặc biệt khi được pha tạp với các nguyên tố khác như Neodymium.

2.1. Hoạt tính xúc tác của CeO2

CeO2 là một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất do khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái oxy hóa Ce4+ và Ce3+. Các nghiên cứu chỉ ra rằng CeO2 dạng que nano có hiệu suất xúc tác quang hóa cao hơn so với các dạng khác do cấu trúc vô định hình và sự hiện diện của các khuyết tật mạng tinh thể.

2.2. Hoạt tính xúc tác của Gd OH 3

Gd(OH)3 được đánh giá là có tiềm năng lớn trong phản ứng oxy hóa khử nâng cao. Các thí nghiệm cho thấy hệ UV/H2O2/Gd(OH)3 có khả năng phân hủy Congo red với hiệu suất cao, đặc biệt khi vật liệu được pha tạp với Neodymium. Điều này mở ra hướng ứng dụng mới trong xử lý nước thải công nghiệp.

III. Ứng dụng của vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm

Ứng dụng của vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm đang được mở rộng trong nhiều lĩnh vực, từ xúc tác quang hóa đến y sinh học. Các vật liệu như CeO2, Nd2O3, và Gd2O3 được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, cảm biến khí, và liệu pháp điều trị ung thư. Những nghiên cứu gần đây đã chứng minh tiềm năng lớn của các vật liệu này trong việc giải quyết các vấn đề môi trường và y tế.

3.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Vật liệu nano từ nguyên tố đất hiếm như CeO2 và Gd(OH)3 được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải nhờ khả năng phân hủy các chất hữu cơ độc hại dưới tác dụng của tia UV. Các hệ thống xúc tác quang hóa sử dụng những vật liệu này cho hiệu suất cao và ổn định, đặc biệt trong việc loại bỏ các chất màu công nghiệp.

3.2. Ứng dụng trong y sinh học

Gd2O3 và Nd2O3 được nghiên cứu để ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Các hạt nano Gd2O3 có khả năng tăng cường hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), trong khi Nd2O3 được sử dụng trong các liệu pháp quang động học. Những ứng dụng này đang mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực y học nano.