Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác Ni/NiO quang phân hủy Methylene Blue

Khám phá quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác Ni/NiO. Đánh giá khả năng quang phân hủy hiệu quả chất màu Methylene Blue trong xử lý môi trường.

• Tác giả: Bùi Thị Hoài Linh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thị Duyên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư phạm Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác cho phản ứng quang phân hủy chất màu Methylene Blue từ phức chất Nickel Imidazole
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về xúc tác Ni NiO và ứng dụng quang phân hủy

Xúc tác Ni/NiO là một vật liệu composite tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý nước thải hiện đại. Vật liệu này kết hợp các tính chất điện từ và quang học của nickel (Ni) và nickel oxide (NiO), tạo ra một hệ thống xúc tác hiệu quả cao. Quang phân hủy Methylene Blue là một ứng dụng quan trọng của xúc tác này, được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm màu trong nước thải công nghiệp. Phương pháp này là bền vững, an toàn và thân thiện với môi trường, giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nước ngày càng trở nên cấp thiết. Hiệu suất xử lý của Ni/NiO phụ thuộc vào các điều kiện tổng hợp vật liệu và các yếu tố quá trình xúc tác.

1.1. Đặc điểm cơ bản của nickel và nickel oxide

Nickel (Ni) là một kim loại chuyển tiếp có tính chất dẫn điện tốt, trong khi NiO là một chất bán dẫn kiểu p với cấu trúc tinh thể. Sự kết hợp này tạo nên vật liệu Ni/NiO có khả năng hấp thu ánh sáng tốt và tạo ra các cặp electron-lỗ hiệu quả, là nền tảng của quá trình quang xúc tác.

1.2. Methylene Blue chất ô nhiễm và cơ chế phân hủy

Methylene Blue (MB) là một chất nhuộm xanh thường gặp trong nước thải dệt nhuộm. Xúc tác Ni/NiO dưới tác động của ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV tạo ra các gốc tự do mạnh mẽ (ROS) có khả năng phá vỡ cấu trúc phân tử MB, biến chúng thành các sản phẩm không độc hại.

II. Quy trình tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác

Quá trình tổng hợp vật liệu Ni/NiO từ phức chất nickel imidazole là một bước quan trọng quyết định hiệu suất xúc tác. Các yếu tố như tỉ lệ mol muối nickel/imidazole, nhiệt độ nung, và thời gian nung có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và độ tinh khiết của sản phẩm. Tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp giúp tạo ra vật liệu có cấu trúc hình thái tốt, diện tích bề mặt lớn, và độ hoạt động quang xúc tác cao. Nghiên cứu chi tiết về các yếu tố này là cần thiết để nâng cao hiệu quả quang phân hủy Methylene Blue.

2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol và nhiệt độ nung

Tỉ lệ mol nickel/imidazole thay đổi từ 1:1 đến 1:6 ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần pha của sản phẩm cuối cùng. Nhiệt độ nung (thường 300-400°C) quyết định mức độ phân hủy phức chất và hình thành pha NiO. Tối ưu hóa hai yếu tố này tạo ra vật liệu có hiệu suất xúc tác tối đa.

2.2. Thời gian nung và đặc trưng cấu trúc

Thời gian nung ảnh hưởng đến độ tinh khiết và độ kết tinh của vật liệu. Phân tích bằng XRD, SEM, EDX cho thấy rằng điều kiện nung tối ưu tạo ra cấu trúc Ni/NiO composite với đặc tính quang xúc tác tốt nhất.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang phân hủy Methylene Blue

Hiệu suất quang phân hủy Methylene Blue bằng xúc tác Ni/NiO phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong quá trình xử lý. pH dung dịch ảnh hưởng đến điện tích bề mặt xúc tác và sự ion hóa của MB, từ đó thay đổi khả năng hấp phụ. Lượng xúc tác được sử dụng cần được tối ưu để đạt hiệu quả cao mà không lãng phí tài nguyên. Nồng độ Methylene Blue ban đầu cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và thời gian xử lý. Nghiên cứu chi tiết về các yếu tố này là cần thiết để ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp.

3.1. Ảnh hưởng của pH và hàm lượng xúc tác

pH tối ưu cho quang phân hủy MB thường nằm trong khoảng 5-8, nơi xúc tác Ni/NiO có khả năng hấp phụ và xúc tác cao nhất. Hàm lượng vật liệu xúc tác cần đủ để tạo ra đủ gốc tự do nhưng không quá nhiều gây tắc ánh sáng.

3.2. Nồng độ Methylene Blue và động học phản ứng

Nồng độ MB ban đầu ảnh hưởng đến tốc độ quang phân hủy theo động học bậc giả nhất. Nồng độ thấp hơn thường cho tốc độ xử lý nhanh hơn, trong khi nồng độ cao đòi hỏi thời gian xử lý dài hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn và tương lai của công nghệ xúc tác Ni NiO

Xúc tác Ni/NiO cho quang phân hủy Methylene Blue có tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là từ các ngành dệt nhuộm, sơ chế dệu, và in ấn. Công nghệ này mang lại những lợi ích như hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp, và tác động môi trường tối thiểu. Với sự phát triển của các phương pháp tổng hợp mới và tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, hiệu suất xúc tác có thể được nâng cao tiếp tục. Tương lai, xúc tác Ni/NiO sẽ đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý nước bền vững toàn cầu.

4.1. Ứng dụng hiện tại trong xử lý nước thải

Xúc tác Ni/NiO đã được chứng minh có khả năng loại bỏ 80-95% Methylene Blue trong điều kiện tối ưu. Công nghệ này có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải đã có, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí xử lý so với các phương pháp truyền thống.

4.2. Hướng phát triển và những thách thức tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào cải thiện khả năng tái sử dụng của xúc tác, mở rộng ứng dụng cho các chất ô nhiễm khác, và phát triển công nghệ quang hợp tác không cần ánh sáng mặt trời. Vượt qua những thách thức này sẽ mở rộng triển vọng thương mại hóa công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về vật liệu 1. Giới thiệu sơ lược về nickel a) Sơ lược về nickel Nickel có nguồn gốc từ tiếng Đức là kupfernickel, được Nam tước Thụy Điển Axel Fredrik Cronstedt khám phá ra vào năm 1751. Nickel còn được gọi là kền, có kí hiệu là Ni.

Nickel có cấu hình electron là: [Ar]3d84s2. Trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, nguyên tố nickel (Ni) nằm ở ô số 28 thuộc phân nhóm VIIIB, chu kỳ 4, là một kim loại chuyển tiếp khá quan trọng. Kim loại nickel Nickel là kim loại có ánh kim, màu trắng bạc, dễ rèn và dát mỏng. Trong thiên nhiên nickel có 5 đồng vị bền: 58Ni (67,7%), 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64Ni.

Nickel có hai dạng thù hình là Ni α lục phương bền ở to 250oC và Ni β lập phương tâm diện bền ở to 250oC. Trong tự nhiên, nickel ít khi tồn tại độc lập. Chúng thường xuất hiện ở dạng hợp chất trong các khoáng chất như millerit, niccolit, quặng sunfur và đá ong [3]. b) Tính chất vật lý Nickel là kim loại chuyển tiếp, nằm trong nhóm sắt từ.

Đây là kim loại cứng có màu trắng bạc, bề mặt bóng mịn. Nóng chảy ở nhiệt độ cao 1455oC, nhiệt độ sôi 2730 oC, khối lượng riêng 8,908 kg/m3, có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Ở điều kiện bình thường, nickel cực kỳ ổn định trong không khí và trơ với oxyen ở nhiệt độ phòng. Vì vậy mà hiện nay nó là một trong những kim loại quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau phục vụ cho cuộc sống.

c) Tính chất hóa học 5 Trong các hợp chất, Ni có số oxy hóa: +2, +3, trong đó số oxy hóa +3 của Ni kém bền. Số oxy hóa phổ biến của nickel là +2, mặc dù 0, +1 và +3 của phức nickel cũng đã được tìm thấy [7]. Nickel là kim loại mạnh và có khả năng chống ăn mòn cao. Nó không bị oxy hoá ở nhiệt độ 500oC hay trong điều kiện không khí bình thường.

Không bị ăn mòn khi tiếp xúc trực tiếp với muối và acid khác. Nickel kết hợp với sắt tạo thành hợp kim cực kỳ ổn định. Điều này giải thích tại sao nó được sử dụng kết hợp với sắt để tạo ra thép không gỉ. Hợp kim chứa 10% Nickel và 18 – 20% Crom là Inox 304 cao cấp không bị ăn mòn trong rất nhiều môi trường khác nhau, kể cả trong acid.

Ni là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, nó không tác dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O2, S, Cl2, Br2 vì có màng oxide bảo vệ. Nhưng khi đun nóng nó phản ứng mãnh liệt, nhất là khi Ni ở trạng thái chia nhỏ. - Ni tác dụng với phi kim Khi đun nóng, trong không khí Ni bắt đầu tác dụng ở to > 500oC: 2Ni + O2 → 2NiO (1.1) Nickel bền với fluorine ở nhiệt độ cao hay ở nhiệt độ nóng đỏ.

Nickel tác dụng với nitrogen ở nhiệt độ không cao lắm: 3Ni + N2 → Ni3N2 (1.2) Nickel tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại, bền với kiềm ở trạng thái dung dịch và nóng chảy. Nickel tác dụng với sulfur khi đun nóng nhẹ tạo nên nhưng hợp chất không hợp thức có thành phần gần với NiS. Sự có mặt của sulfur làm giảm chất lượng của thép nên phải loại trừ khi luyện thép. - Ni tác dụng với acid tạo muối và giải phóng H2: Ni + 2HCl → NiCl2 + H2 (1.3) - Ni tinh khiết bền đối với không khí và nước.

người ta dùng Ni để mạ ngoài các đồ bằng kim loại [10]. d) Ứng dụng Nhờ những đặc điểm của nickel mà kim loại này và những hợp chất của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống. Nickel thường được dùng để mạ, chế tạo các chất xúc tác hoặc làm hợp kim với các kim loại khác để tao độ bóng hoặc tăng độ bền. Như 6 làm tiền xu, sản xuất trang sức, sản xuất vật dụng y tế, thiết bị điện tử, sạc pin, nam châm vĩnh cửu… 1.

Giới thiệu sơ lược về nickel (II) oxide a) Công thức, cấu trúc Nickel (II) oxide là hợp chất hóa học với có công thức hóa học là NiO, đây được coi là oxide phổ biến và quan trọng nhất của nickel. - Công thức phân tử: NiO. - Công thức cấu tạo: Ni=O. Nickel (II) oxide là chất rắn màu lục.1 mô tả thông số lý hóa cơ bản của nickel (II) oxide và Hình 1.2 là tinh thể nickel (II) oxide.

Mô tả thông số lý hóa cơ bản của nickel (II) oxide Công thức phân tử NiO Bề ngoài Tinh thể xanh kết tinh Khối lượng riêng 6,67 g/cm3 Điểm nóng chảy 19950C (2228K; 35510F) Độ hòa tan Không tan trong nước, tan dễ dàng trong dung dịch acid Enthalpy hình thành -240 kJ/mol NiO có cấu trúc giống NaCl, với bát diện Ni(II) và O2−. Cấu trúc đơn giản về khái niệm thường được gọi là cấu trúc muối đá. Giống như nhiều oxide kim loại nhị phân khác, NiO thường không có độ tinh khiết, có nghĩa là tỷ lệ Ni:O không phải 1:1. Cấu trúc tinh thể NiO b) Tính chất vật lý 7 Nickel (II) oxide thường có màu đen hoặc xám đậm.

Nickel (II) oxide có cấu trúc tinh thể mạng ion. Điều này đồng nghĩa với việc nó có một mạng lưới ba chiều của các ion Ni²⁺ và O²⁻. Điểm nóng chảy của NiO là khoảng 1955 oC. Nickel (II) oxide là một chất cách điện ở nhiệt độ phòng, nhưng có thể dẫn điện khi được nung ở nhiệt độ cao và trong môi trường oxygen.

c) Tính chất hóa học Nickel oxide chứa ion nickel ở trạng thái oxy hóa +2 (Ni²⁺) và oxygen ở trạng thái oxy hóa -2 (O²⁻). NiO thường kháng acid và không bị tác động bởi nhiều acid ở điều kiện bình thường. Nó có thể phản ứng với các dung dịch base mạnh để tạo ra các muối của nó. Trong điều kiện oxy hóa, nickel oxide có thể phản ứng với hydrogen để tạo ra nước và nickel metal: NiO + H₂ → Ni + H₂O (1.4) Nó có thể oxy hóa khi nung ở nhiệt độ cao và trong môi trường oxygen, tạo ra nickel và oxygen.

NiO không tan trong nước, nhưng có thể tan trong các acid mạnh như acid nitric (HNO₃). d) Phương pháp điều chế và ứng dụng NiO có thể được điều chế bởi nhiều phương pháp. Khi nung ở trên 400℃, bột nickel phản ứng với oxygen để cho NiO. Trong một số quy trình thương mại, nickel (II) oxide xanh được làm bằng cách nung một hỗn hợp bột nickel và nước ở 1000℃, tỷ lệ phản ứng này có thể tăng lên bằng cách thêm NiO [11].

Phương pháp đơn giản nhất và thành công nhất là thông qua sự phân huỷ của các hợp chất nickel (II) như hydroxide, nitrate và carbonate, tạo ra bột màu xanh lá cây sáng. Tổng hợp từ các nguyên tố bằng cách nung kim loại trong oxygen có thể cho ra bột màu xám. NiO được ứng dụng làm chất bán dẫn, tụ điện - cuộn cảm, thiết bị, mạch điều chỉnh, gương nhiệt trong suốt, nhiệt điện trở và điện trở, pin, siêu tụ điện siêu nhỏ, điện sắc và các thiết bị cảm biến hóa học hoặc nhiệt độ. Nó được sử dụng trong chuẩn bị gốm kim loại nickel, nhựa và dệt may, trong dây nano, sợi nano và hợp kim và chất xúc tác.

Nó cũng được sử dụng làm lớp chống sắt từ, máy gia tốc và vật liệu hấp thụ radar, hàng không vũ trụ và bộ lọc quang hoạt động. Vật liệu composite Ni/NiO Vật liệu composite Ni/NiO đã được tổng hợp và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong nghiên cứu [12] vật liệu Ni/NiO được tổng hợp bằng cách khử hóa học sử dụng hydrazine hydrat và sodium borohydride được sử dụng làm chất khử amoni citrate tribasic làm chất tạo hạt nhân. Vật liệu tạo thành là các tấm nano Ni/NiO thể hiện hoạt tính xúc tác điện phân nước giải phóng hydrogen trong môi trường kiềm vượt trội so với Ni hoặc NiO.

Quang phổ Raman đã chứng minh rằng cấu trúc dị thể tấm nano Ni/NiO ban đầu duy trì các hạt β-Ni(OH)2 , điều này có thể góp phần vào hoạt động xúc tác điện phân nước vượt trội. Kết quả đã khẳng định tầm quan trọng của các vị trí kim loại Ni bên cạnh các vị trí NiO và duy trì các loại hydroxide cho hoạt động xúc tác HER vượt trội và bền bỉ. Những kết quả này có thể được sử dụng để thiết kế một chất xúc tác bền và hiệu quả cho các máy điện phân kiềm để sản xuất hydrogen bền vững. Hỗn hợp Ni/NiO cũng được tổng hợp bẳng phương pháp khử Ni(OH)2 bằng glucose hoặc urea ở nhiệt độ 450oC.

Vật liệu tạo thành được nghiên cứu khả năng xúc tác quang phân hủy aniline blue dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Kết quả khảo sát cho thấy, trong điều kiện không có ánh sáng, các mẫu đã chuẩn bị là chất siêu hấp phụ với dung lượng hấp phụ tối đa nằm trong khoảng từ 210 đến 230 g/L và có hiệu suất hấp phụ aniline blue đạt đến 95%-100% trong vòng 2 giờ. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, chất hấp phụ/chất quang xúc tác đạt được tỷ lệ loại bỏ thuốc nhuộm là 99,8% trong vòng 30 phút. Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng mặt trời, hiệu quả loại bỏ thuốc nhuộm tăng 19% trong trường hợp có Ni/NiO; nó cho thấy hiệu quả loại bỏ 99,5% trong vòng 30 phút dưới sự chiếu xạ của ánh sáng mặt trời so với 80% sau 120 phút trong bóng tối [13].

Ngoài ra, các hạt Ni/NiO đã xúc tác quá trình este hóa oxy hóa của các hợp chất carbonyl với rượu, diol hoặc dithiol với sự có mặt của một lượng NBS xúc tác. Người ta đã quan sát thấy rằng các carbonyl thơm được thay thế bằng nhóm nhường điện tử tăng quá trình halogen hóa hạt nhân, trong khi sự thay thế nhóm rút điện tử trong các hợp chất carbonyl tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa [14]. Các cấu trúc dị thể nickel Ni/NiO đã được sử dụng để thay thế các chất xúc tác dựa trên các kim loại quý thông thường để tách nước điện hóa. Thực nghiệm cho thấy 9 phương pháp phóng điện hồ quang có khả năng mở rộng, phổ quát, có kiểm soát để tạo ra các hạt nano Ni/NiO được bọc trong graphene làm chất xúc tác đa chức năng cho phản ứng điển hoá để khử proton thành hydrogen (HER), phản ứng oxy hóa urê (UOR).

Trong nghiên cứu phản ứng oxy hóa methanol (MOR). Vật liệu tổng hợp 3D Ni/NiO/RG đã điều chế đạt được hoạt tính xúc tác vượt trội (79,5 mA cm -2/1262,1 mA mg -1). Đối với phản ứng oxy hóa methanol (MOR) trong dung dịch kiềm, vượt trội so với hầu hết các chất xúc tác.