ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Hà Chi TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 KÍCH THƯỚC NANOMET LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Hà Chi TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: Hóa học Vô Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC NHIỆM Hà Nội – Năm 2015 Lời cám ơn Với lòng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn TS Đào Ngọc Nhiệm giao đề tài tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Trong trình học tập Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, cám ơn giảng dạy giúp đỡ thày cô giáo Tôi xin cảm ơn đồng nghiệp Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp Tôi xin cám ơn Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) tài trợ kinh phí để thực nghiên cứu khuôn khổ đề tài mã số 103.02-2013.12 Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, 2015 Học viên Nguyễn Thị Hà Chi MỤC LỤC Danh mục bảng i Danh mục hình ii Bảng ký hiệu chữ viết tắt iii Lời mở đầu Chương Tổng quan 1.1 Vật liệu xúc tác quang BiFeO3 1.1.1 Vật liệu BiFeO3 1.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu BiFeO3 Phương pháp pha rắn truyền thống a b Phương pháp nuôi đơn tinh thể c Phương pháp thủy nhiệt d Phương pháp màng mỏng e Tổng hợp đốt cháy gel polyme Giới thiệu chung tình hình ô nhiễm môi trường nước đối 1.2 tượng nghiên cứu 1.2.1 Một số phương pháp xử lý hợp chất hữu nước thải 10 a Phương pháp hấp phụ 10 b Phương pháp keo tụ 10 c Phương pháp oxy hóa 11 d Phương pháp siêu âm 12 e Plasma nguội 12 1.2.2 Xanh methylene 13 1.2.3 Metyl da cam 14 1.2.4 Phản ứng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu 15 Chương Thực nghiệm 18 2.1 Hóa chất thiết bị 18 2.1.1 Hóa chất 18 2.1.2 Thiết bị 18 Tổng hợp vật liệu 19 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu phương pháp đốt cháy gel 19 2.2.1 PVA 2.2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái kích thước 20 vật liệu a Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 20 b Phương pháp kính hiển vi điện tử (SEM) 21 c Phương pháp phổ UV-Vis 22 d Phương pháp phân tích nhiệt 22 e Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 23 f 2.3 Phương pháp xác định diễn tích bề mặt riêng BET 24 Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh metylen 24 vật liệu BFO 2.3.1 Lập đường chuẩn xanh metylen 24 2.3.2 Lập đường chuẩn metyl da cam 26 2.3.3 Phương pháp đánh giá khả quang xúc tác vật liệu 29 Chương Kết thảo luận 32 3.1 Kết phân tích nhiệt mẫu gel BFO 32 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hình thành pha vật 33 liệu BFO 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ mol kim loại Bi/Fe đến hình thành pha 35 BiFeO3 3.4 Cấu trúc, hình thái, kích thước tinh thể BiFeO3 tổng hợp 36 điều kiện tối ưu 3.5 Phổ UV-Vis kết đo BET vật liệu BFO 3.6 Khảo sát khả quang xúc tác phân hủy xanh metylen 41 39 metyl da cam vật liệu BiFeO3 3.6.1 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu 3.6.2 Khảo sát khả quang xúc tác vật liệu BFO theo thời 42 41 gian 3.6.3 Ảnh hưởng H2O2 đến khả quang xúc tác vật liệu 44 BiFeO3 3.6.4 So sánh khả quang xúc tác vật liệu hệ BFO với tỉ lệ 46 Bi/Fe khác 3.6.5 Ảnh hưởng khoảng cách chiếu sáng lên khả quang 47 xúc tác vật liệu BiFeO3 3.6.6 Khả tái sử dụng vật liệu BFO 48 Kết luận 52 Kiến nghị 52 Tài liệu tham khảo 53 Danh mục bảng Bảng 2.1 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang D vào nồng độ dung dịch 25 xanh metylen Bảng 2.2 Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ dung dịch 28 metyl da cam Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố mẫu BiFeO3 tổng hợp điều kiện 39 tối ưu Bảng 3.2 Hiệu suất quang xúc tác phân hủy phẩm màu vật liệu BFO 42 theo thời gian Bảng 3.3 Ảnh hưởng H2O2 đến hiệu suất phân hủy phẩm màu 44 BFO theo thời gian Bảng 3.4 Ảnh hưởng khoảng cách chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy 48 MB MO vật liệu BiFeO3 Bảng 3.5 Khả tái sử dụng vật liệu BFO 49 Danh mục hình Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể BiFeO3 Hình 1.2 Cấu trúc hóa học hợp chất xanh metylen 13 Hình 1.3 Cấu trúc hóa học hợp chất metyl da cam 14 Hình 1.4 Cơ chế trình quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu 16 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu phương pháp đốt cháy gel 19 PVA Hình 2.2 Phổ hấp thụ UV-VIS dung dịch xanh metylen 10 ppm 25 Hình 2.3 Đồ thị đường chuẩn xanh metylen 26 Hình 2.4 Phổ hấp thụ phân tử UV-VIS dung dịch metyl da cam 27 Hình 2.5 Đồ thị đường chuẩn metyl da cam 28 Hình 2.6 Hệ thiết bị quang xúc tác 30 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu BFO 32 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nung nhiệt độ 33 khác Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu có tỷ lệ mol kim loại Bi/Fe khác 35 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu BiFeO3 tổng hợp điều kiện 37 tối ưu Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu BiFeO3 tổng hợp điều kiện tối ưu 37 Hình 3.6 Phổ tán xạ lượng tia X mẫu BiFeO3 tổng 38 hợp điều kiện tối ưu Hình 3.7 Phổ hấp thụ UV-Vis mẫu BiFeO3 tổng hợp điều kiện tối 39 ưu Hình 3.8 Kết đo BET của mẫu BiFeO3 tổng hợp điều kiện 40 tối ưu Hình 3.9 Hiệu suất hấp phụ vật liệu BFO dung dịch MB, MO 41 Hình 3.10 Khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 với dung dịch 43 MB Hình 3.11 Khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 với dung dịch 43 MO Hình 3.12 Hiệu suất phân hủy phầm màu phụ thuộc vào nồng độ thuốc 45 nhuộm theo thời gian Hình 3.13 Hiệu suất quang xúc tác số vật liệu phân hủy xanh 46 metylen Hình 3.14 Hiệu suất quang xúc tác số vật liệu phân hủy metyl 47 da cam Hình 3.15 Khả tái sử dụng vật liệu BFO 49 Hình 3.16 Giản đồ XRD vật liệu BiFeO3 sau phản ứng quang xúc 50 tác Hình 3.10: Khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 với dung dịch MB Hình 3.11: Khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 với dung dịch MO Từ kết thực nghiệm thấy khả quang xúc tác phân hủy dung dịch xanh metylen vật liệu tốt phân hủy dung dịch metyl da cam Trong thời gian 15 phút chiếu sáng hiệu suất phân hủy MB vật liệu đạt H = 26 %, sau hiệu suất phân hủy MB vật liệu BFO đạt ~ 80% đạt giá trị ~ 90 % sau phản ứng Với dung dịch MO hiệu suất quang xúc tác đạt ~ % sau 15 phút chiếu sáng đạt giá trị H ~ 20% sau chiếu sáng Để tăng khả xúc tác quang vật liệu thêm lượng H2O2 vào dung dịch phản ứng 3.6.3 Ảnh hưởng H2O2 đến khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 Khi khảo sát ảnh hưởng H2O2 đến khả quang xúc tác phân hủy phẩm màu vật liệu BiFeO3 thí nghiệm tiến hành sau: với lượng nhỏ H2O2 (0,1 ppm dung dịch phản ứng) cho thêm vào dung dịch xanh metylen dung dịch metyl da cam có nồng độ ban đầu thay đổi tương ứng từ ppm đến 30 ppm ppm đến 10 ppm Qúa trình quang xúc tác tiến hành nghiên cứu theo thời gian, sau khoảng thời gian chiếu sáng định dung dịch MB MO mang xác định nồng độ kết thí nghiệm trình bày Bảng 3.3 Hình 3.12 Bảng 3.3: Ảnh hưởng H2O2 đến hiệu suất phân hủy phẩm màu BFO theo thời gian Dung dịch phẩm màu Hiệu suất phân hủy phẩm màu theo thời gian H (%) 15 phút 30 phút 45 phút MB 5ppm > 99 MB 10 ppm > 99 MB 15 ppm > 99 MB 20 ppm 93,8 > 99 MB 30 ppm 78,3 91,4 > 99 MO ppm 63 81,1 > 97 MO 10 ppm 23,8 37,8 43,7 60 phút 120 phút 51,2 64,5 Hình 3.12: Hiệu suất phân hủy phầm màu phụ thuộc vào nồng độ thuốc nhuộm theo thời gian Kết thực nghiệm cho thấy, khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 tăng lên cụ thể với dung dịch xanh metylen: hiệu suất phân hủy vật liệu tăng cách rõ rệt, hiệu suất phân hủy đạt giá trị H > 99% với dung dịch xanh metylen có nồng độ ban đầu từ ppm đến 15 ppm sau chiếu sáng 15 phút, tăng nồng độ dung dịch xanh metylen lên 20 ppm, 30 ppm thời gian để hiệu suất phân hủy đạt > 99 % tăng lên 30 phút 45 phút tương ứng sau chiếu sáng Đối với dung dịch metyl da cam, hiệu suất phân hủy vật liệu tăng đạt 97 % với dung dịch MO 5ppm sau 45 phút chiếu sáng Khi nồng độ dung dịch MO tăng từ ppm đến 10 ppm hiệu suất phân hủy giảm, sau 45 phút 120 phút chiếu sáng hiệu suất phân hủy đạt giá trị 43,7 % 64,5 % Có thể khẳng định hiệu suất phân ủy phẩm màu vật liệu BFO tăng cách rõ rệt có mặt H2O2 Do thân H2O2 chất oxy hóa mạnh, tạo gốc tự nhận lượng từ xạ ánh sáng Chính gốc tự làm gia tăng lượng gốc tự dung dịch phẩm màu đồng thời làm tăng hiệu suất phân hủy xanh metylen vật liệu BFO 3.6.4 So sánh khả quang xúc tác vật liệu hệ BFO với tỉ lệ Bi/Fe khác Để so sánh khả quang xúc tác phân hủy phẩm màu vật liệu BiFeO3 với vật liệu khác, thí nghiệm thực với số vật liệu hệ BFO với tỉ lệ mol Bi/Fe thay đổi tổng hợp vật liệu với oxit Bi2O3 Fe2O3 điều kiện thí nghiệm Kết thực nghiệm sau 30 phút chiếu sáng hai dung dịch xanh metylen metyl da cam đưa Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.13: Hiệu suất quang xúc tác số vật liệu phân hủy xanh metylen Từ đồ thị so sánh hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB loại vật liệu hệ BFO (Hình 3.13) oxit Bi2O3 Fe2O3 cho thấy: sau 30 phút phản ứng hiệu suất phân huỷ dung dịch xanh metylen cao có giá trị H > 90% với vật liệu hệ BFO có tỉ lệ mol Bi/Fe thay đổi 5/1, 3/1, 1/1 cao so với hiệu suất phân hủy dung dịch xanh metylen hai oxit ban đầu Bi2O3 (H = 89,76%) Fe2O3 (H = 49,5%) Hình 3.14: Hiệu suất quang xúc tác số vật liệu phân hủy metyl da cam Còn kết hình 3.14 thấy rằng, dung dịch metyl da cam hiệu suất phân hủy MO đạt giá trị lớn 86,39% với oxit Bi2O3, hệ vật liệu BFO có hiệu suất nhỏ cao đạt 81,1% với BF11 (BiFeO3) So sánh kết thực nghiệm, thấy tỉ lệ mol Bi/Fe ban đầu thay đổi hiệu suất phân hủy xanh metylen metyl da cam vật liệu hệ BFO thay đổi Hiệu suất phân hủy phẩm màu tăng hàm lượng Bi2O3 oxit hỗn hợp tăng Hiệu suất phân hủy phẩm màu hệ vật liệu BFO cao nhiều so với oxit Fe2O3 Vây, vật liệu tổng hợp BiFeO3 có hiệu suất phân hủy phẩm màu xấp xỉ với hiệu suất phân hủy oxit Bi2O3 lại cao nhiều so với oxit Fe2O3 cụ thể với xanh metylen tăng từ 49 % lên > 90 %, với metyl da cam tăng từ 58% lên > 80 % 3.6.5 Ảnh hưởng khoảng cách chiếu sáng lên khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 Các thí nghiệm tiến hành thay đổi khoảng cách chiếu sáng từ tâm đèn đến bề mặt dung dịch sau: nhúng hoàn toàn đèn lòng dung dịch, với tỉ lệ vật liệu BiFeO3 1g/l dung dịch xanh metylen metyl da cam nồng độ Co = 10 ppm Kết khảo sát theo thời gian ghi Bảng 3.4 Bảng 3.4: Ảnh hưởng khoảng cách chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy MB MO vật liệu BiFeO3 Dung dịch phẩm màu Khoảng cách chiếu sáng d (cm) Hiệu suất phân hủy phẩm màu theo thời gian H(%) 15 phút 30 phút 45 phút 60 phút 90 phút 120 phút 51,57 63,5 80 MB 10 ppm 15 26 29,42 33,96 47,2 74,8 > 99 MO 10 ppm 15 - 9,62 - 12,3 15,38 20 26,1 36,7 43,5 53 66,2 - Từ kết thực nghiêm cho thấy, khoảng cách chiếu sáng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy phẩm màu vật liệu BiFeO3 Hiệu suất phân hủy xanh metylen 15 phút, 30 phút 45 phút 47,2 %, 74,8 % > 99 % so với khoảng cách 15 cm ban đạt ~ 80 % Hiệu suất phân hủy tăng dung dịch metyl da cam, cụ thể hiệu suất đạt giá trị 26,1 %; 36,7 %; 43,5 %; 53 %; 66,2 % tương ứng với thời gian phản ứng 15 phút, 30 phut, 45 phút, 60 phút 90 phút so với hiệu phân hủy đạt ~ 20 % sau phản ứng trước Nguyên nhân hiệu suất phân hủy tăng mạnh nhúng toàn thân đèn vào lòng dung dịch diện tích chiếu sáng diện tích tiếp xúc đèn với dung dịch vật liệu tăng nhiều so với đặt đèn cách bề mặt dung dịch 15 cm Hơn nữa, khoảng cách gần hơn, lượng mà phân tử phẩm màu nhận từ xạ lớn dẫn đến hiệu suất phân hủy tăng 3.6.6 Khả tái sử dụng vật liệu BFO Để khảo sát khả tái sử dụng vật liệu BiFeO3 sau vật liệu BFO thu hồi từ thí nghiệm trước, đem sấy khô nhiệt độ 120°C Vật liệu tái sử dụng để phân hủy dung dịch xanh metylen có nồng độ 20ppm Các thí nghiệm tiến hành với điều kiện sau: tỉ lệ vật liệu BFO 1g vât liệu lít dung dịch xanh metylen, thêm lượng nhỏ H2O2, khuấy tối 30 phút chiếu sáng khoảng thời gian Δt = 30 phút Thí nghiệm lặp lại lần (lần tái sử dụng thứ không cho thêm H2O2) Các kết thí nghiệm trình bày Bảng 3.5 Hình 3.15 Bảng 3.5: Khả tái sử dụng vật liệu BFO Lần tái sử dụng vật liệu Hiệu suất phân hủy xanh metylen H (%) Lần 99,9 Lần 99 Lần 92,8 Hình 3.15: Khả tái sử dụng vật liệu BFO Từ đồ thị biểu diễn hiệu suất phân hủy vật liệu sau lần tái sử dụng nhận thấy hiệu suất phân hủy xanh metylen vật liệu giảm từ 99,9 % ban đầu xuống 99 % lần tái sử dụng thứ đạt 92,8 % lần tái sử dụng thứ Chứng tỏ vật liệu BiFeO3 tái sử dụng nhiều lần mà tính xúc tác giảm lượng không đáng kể Để đánh giá sau tái sử dụng vật liệu pha BiFeO3 đơn hay không, mẫu sau tái sử dụng sấy khô 120°C sau Sau đó, mẫu đem phân tích thành phần pha phương pháp nhiễu xạ tia X Kết đưa Hình 3.16 Hình 3.16: Giản đồ XRD vật liệu BiFeO3 sau phản ứng quang xúc tác Trên giản đồ XRD mẫu cho thấy, pha tinh thể perovskit giản đồ xuất tín hiệu nhiễu xạ pha Bi36Fe2O57 Sau vật liệu tham gia vào trình quang xúc tác phân hủy phẩm màu Điều chứng tỏ, phần nhỏ tinh thể BiFeO3 bị biến đổi thành pha tinh thể Bi36Fe2O57 Có thể giải thích tượng sau nhận xạ ánh sáng tạo cặp electron hóa trị lỗ trống để tham gia vào trình quang xúc tác phân hủy phẩm màu cấu trúc tinh thể BFO bị khuyết ion Fe3+ dẫn đến dư thừa lượng ion Bi3+ Mà khảo sát hình thành pha tinh thể BiFeO3 phụ thuộc vào tỉ lệ mol Bi/Fe (Hình 3.3) hình thành pha tinh thể Bi36Fe2O57 lượng dư Bi ban đầu Kết luận Đã tổng hợp vật liệu BiFeO3 cấu trúc perovskit, đơn pha có kích thước < 50 nm, phương pháp đốt cháy gel PVA điều kiện tối ưu: tỉ lệ Bi/Fe/PVA = 1/1/3, pH = 1, gel sau tạo thành nung nhiệt độ 120°C giờ, sau tiếp tục nung nhiệt độ 500oC Ứng dụng vật liệu BiFeO3 kích thước nanomet tổng hợp điều kiện tối ưu để xử lý phẩm nhuộm Kết hiệu suất phân hủy dung dịch xanh metylen 10 ppm metyl da cam 10 ppm chiếu sáng, với tỉ lệ 1g vật liệu lít dung dịch đạt > 80% 20 % Đã khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả quang xúc tác phân hủy xanh metylen metyl da cam vật liệu BFO cho thấy: tỉ lệ mol kim loại Bi ban đầu đưa vào tổng hợp vật liệu cao hiệu suất phân hủy phẩm màu tăng, cho thêm lượng nhỏ H2O2 vào hệ phản ứng hiệu suất phân hủy vật liệu tăng cách rõ rệt lên 99 % với dung dịch MB 30 ppm > 64 % vơi dung dịch MO 10 ppm Đã nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu cho thấy vật liệu BiFeO3 sau lần tái sử dụng phân hủy xanh metylen có nồng độ 20 ppm, hiệu suất phân hủy vật liệu đạt 92 % Kiến nghị Trong khuôn khổ luận văn em chưa đủ điều kiện, thời gian để nghiên cứu cách tỉ mỉ, có hệ thống yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý phân hủy xanh metylen metyl da cam vật liệu BiFeO3 như: giới hạn nồng độ dung dịch phân hủy được, ảnh hưởng pH dung dịch phẩm màu, lựa chọn chất mang phù hợp, hàm lượng vật liệu chất mang, Nhằm ứng dụng khả quang xúc tác vật liệu BiFeO3 thực tế để xử lý phẩm nhuộm Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Cục Thẩm định Đánh giá tác động môi trường - Tổng cục môi trường (2009), “Hướng dẫn lập báo cáo đánh giá tác động môi trường dự án dệt nhuộm”, Hà Nội Vũ Đăng Độ (2006), Các phương pháp vật lí ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội https://vi.wikipedia.org/wiki/Phổ_tán_sắc_năng_lượng_tia_X https://vi.wikipedia.org/wiki/Màng_mỏng Đặng Trấn Phòng (2004), Sinh thái môi trường dệt nhuộm, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đặng Trấn Phòng, Trần Hiếu Nhuệ (2005), Xử lý nước cấp nước thải dệt nhuộm, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Thông tư số 47/2011/TT-BTNMT ngày 28/12/2011 quy định quy chuẩn kỹ thuật quốc gia môi trường Nguyễn Đình Triệu (2012), Các phương pháp vật lí ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh A D Paola, E García-López, G Marcì, L Palmisano, (2012), “A survey of photocatalytic materials for environmental remediation”, J Hazard Mater, 211-212, pp.3-29 10 Bing Liu, Binbin Hu and Zuliang Du, (2011) “Hydrothermal synthesis and magnetic properties of single-crystalline BiFeO3 nanowires” Chem Commun, 47, pp.8166-8168 11 C Hengky, S Dunn, V Singh, L Loh (2010), “Preparation and characterization of BiFeO3 nanosystems as visible light driven photodegradation of organic compounds”, NSTI-Nanotech., 1, pp.570-573 12 Chu Ying-Hao, Martin Lane W., Holcomb Mikel B., R Ramamoorthy (2007) Controlling magnetism with multiferroics Materials Today 10 10, pp.16–23 13 F Gao, X Chen, K Yin, S Dong, Z Ren, F Yuan, T Yu, Z Zou, J.M Liu, (2007), “Visible-light photocatalytic properties of weak magnetic BiFeO3 nanoparticles”, Adv Mater., 19, pp.2889 – 2892 14 Francony A., Petrier C (1996), “Sonochemical degradation of carbon tetrachloride in aqueous solution at two frequencies: 20 kHz and 500 kHz”, Ultrason Sonochem., 3, pp.77-82 15 G Biasotto, A Z Simões, César R Foschini, Selma G Antônio, Maria A Zaghete, Jose A Varela, (2011), “A novel synthesis of perovskite bismuth ferrite nanoparticles”, Process Appl Ceram., 5, pp.171-179 16 Golschmidt, V M (1926) “Die Gesetze der Krystallochemie” Die turwissenschaften 21 (21), pp 477 17 H Jiang, M Yasutaka, K Nobuhiro, Y Yoshinori, T Takahiro, K Nobukazu, (2008), “Hydrothermal synthesis of perovskite-type BiFeO3”, J Ceram Soc Japan, 116, pp.837-839 18 H K Timmaji (2011), “Bismuth – based oxide semiconductors: mild and practical applications”, Ph D dissertation, The Univeristy of Texas at Arlington, 19 Han.J.T., Huang.Y.H., Wu.X.J, Wu.C.L, Wei.W, Peng.B, Huang.W, Goodenough.J. B, (18 August 2006) "Tunable Synthesis of Bismuth Ferrites with Various Morphologies", Advanced Materials 18 (16-2), pp.145–2148 20 https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite 21 I K Konstantinou and T.A Albanis, (2004) “TiO2-assisted photocatalytic degradation of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations”, Applied Catalysis B: Environmental, 49, pp.1–14 22 I Ullah, S Ali, M A Hanif, S Ali Shahid, (2012), “Nanoscience for Environmental remediation”, Int J Chem Biochem Sci., 2, pp.60 – 77 23 J Wei, H Li, C Zhang, Z Xu, S Mao, B Dkhil, (2012), “Effect of particle morphology on the photocatalytic activity of BiFeO3 microcrystallites”, J Mater Sci: Mater Electron., 23, pp.1869–1874 24 Jong Kuk Kim, Sang Su Kim, Won-Jeong Kim (2005) “Sol–gel synthesis and properties of multiferroic BiFeO3”, Materials Letters, 59 (29–30), pp.4006–4009 25 Ke Weijun, Fang Guojia, Wan Jiawei, Tao Hong, Liu Qin, Xiong Liangbin, Qin Pingli, Wang Jing, Lei Hongwei, Yang Guang, Qin Minchao, Zhao Xingzhong, Yan Yanfa, (2015), “Efficient hole-blocking layer-free planar halide perovskite thin-film solar cells”, Nature Communications, 6, article number 6700 26 Kiselev S V., Ozerov R P , Zhdanov, G S (February 1963), “Detection of magnetic order in ferroelectric BiFeO3 by neutron diffraction”, Soviet Physics – Doklady (8), pp.742–744 27 Kubel, Frank; Schmid, Hans (1990) "Structure of a Ferroelectric and Ferroelastic Monodomain Crystal of the Perovskite BiFeO3" Acta Crystallographica (B46), pp 698–702 28 Maezawa A., Nakadoi H., Suzuki K., Furusawa T., Suzuki Y., Uchida S., (2007) “Treatment of dye wastewater by using photo-catalytic oxydation with sonication”, Ultrason Sonochem, 14, pp.615-620 29 M D Hernández-Alonso, F Fresno, S Suárez, J M Coronado, (2009), “Development of alternative photocatalysts to TiO2: Challenges and opportunities”, Energy Environ Sci., 2, pp.1231-1257 30 M Factorovich, L Guz, R Candal, (2011), “N-TiO2: Chemical synthesis and photocatalysis”, Adv Phys Chem., Article ID 821204, pages 31 M M Kumar, V R Palkar, K Srinivas, and S V Suryanarayana (2000), “Ferroelectricity in a pure BiFeO3 ceramic”, Appl Phys Lett 76(19), pp.2764-2766 32 N M Mahmoodi, M Arami, N.Y Limaee and N.S Tabrizi (2006), “Kinetics of heterogeneous photocatalytic degradation of reactive dyes in an immobilized TiO2 photocatalytic reactor”, Journal of Colloid and Interface Science, 295, pp.159–164 33 S Li, Y.-H Lin, B.-P Zhang, C.-W Nan, Y Wang, (2009), “Photocatalytic and magnetic behaviors observed in nanostructured BiFeO3 particles”, J Appl Phys., 105, 056105-3 34 Sangram Keshari Pradhan , Binod Kumar Roul (2012), “Observation of enhanced room temperature multiferroicity in nanoparticles BiFeO 3”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 64(2), pp.375-380 35 Scaiano.J.C., Johnston.L.J., McGimpsey.W.G., Weir.D (1988), "Photochemistry of Organic Reaction Intermediates: Novel Reaction Paths Induced by Two-Photon Laser Excitation", Acc Chem Res., pp.21, 22 36 Seidel.J., Martin L.W., He Q., Zhan Q., Chu, Y.-H.; Rother, A.; Hawkridge, M E., Maksymovych, P., Yu, P., Gajek, M., Balke, N., Kalinin, S V., Gemming, S., Wang, F., Catalan, G., Scott, J F., Spaldin, N A., Orenstein, J., Ramesh, R (2009), “Conduction at domain walls in oxide multiferroics" Nature Materials (3), pp.229–234 37 Seung Ho Han, Kyoung Sun Kim, Ho Gi Kim, Hyeung Gyu Lee, Hyung Won Kang, Jeong Seog Kim, Chae Il Cheon (2010), “Synthesis and characterization of multiferroic BiFeO3 powders fabricated by hydrothermal method”, Ceramics International 36 (4), pp.365–372 38 Sharma Poorva, Varshney Dinesh, Satapathy S., Gupta.P.K (15 January 2014), "Effect of Pr substitution on structural and electrical properties of BiFeO3 ceramics", Materials Chemistry and Physics 143(2), pp.629– 636 39 Spaldin Nicola A., Cheong Sang-Wook, Ramesh Ramamoorthy (2010), “Multiferroics: Past, present, and future”, Physics Today 63 (10), pp.38 40 U A Joshi, J S Jang, P H Borse, J S Lee, (2008), “ Microwave synthesis of single-crystalline perovskite BiFeO3 nanocubes for photoelectrode and photocatalytic applications”, Appl Phys Lett., 92(24), pp.242106242109 41 Y C Yang, Y Liu, J H Wei, C X Pan, R Xionga and J Shi (2014), “Electrospun nanofibers of p-type BiFeO3/n-type TiO2 hetero-junctions with enhanced visible-light photocatalytic activity”, RSC Adv, 4, pp.31941-31947 42 Y.-L Pei, C Zhang (2013), “Effect of ion doping in different sites on the morphology and photocatalytic activity of BiFeO3 microcrystals”, J Alloys Compd., 570, pp.57-60 43 Yuning Huo, Y Jin, Y Zhang (2010), “Citric acid assisted solvothermal synthesis of BiFeO3 microspheres with high visible-light photocatalytic activity”, J Molecular Catal A: Chem., 331, pp.15–20 [...]... vậy, BiFeO3 đang là đối tượng nghiên cứu hướng đến nhằm thay thế vật liệu TiO2 truyền thống Không nằm ngoài xu hướng đó đề tài Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu BiFeO3 kích thước nanomet đã được thực hiện với những mục đích sau: - Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác BiFeO3 và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên thành phần, cấu trúc của sản phẩm phản ứng đốt cháy... thu được là vật liệu BiFeO3 đơn pha tinh thể và có kích thước nano < 50 nm - Khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy của hệ vật liệu đã chế tạo được đối với việc phân hủy xanh metylen và metyl da cam Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu xúc tác quang BiFeO3 1.1.1 Vật liệu BiFeO3 Bitmut ferit BiFeO3 (thường được viết là BFO) là oxit phức hợp của ba nguyên tố bitmut, sắt và oxi, BFO... của vi sinh đối với các chất hữu cơ trong nước thải Việc loại bỏ lượng dư metyl da cam khỏi môi trường nước là rất cần thiết Vì vậy, metyl da cam được chọn làm đối tượng nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu BFO 1.2.4 Phản ứng quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ Phản ứng quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hóa bằng chất xúc tác Phản ứng quang hóa là chuỗi các phản... hoạt tính quang xúc tác của TiO2 là thấp trong vùng ánh sáng nhìn thấy do độ rộng vùng cấm lớn (xấp xỉ 3,2 eV tương đương với bước sóng hấp thụ khoảng λ ≤ 400 nm) và khó thu hồi để tái sử dụng [29, 30] Cũng có nhiều nghiên cứu pha tạp thêm một số nguyên tố vào trong TiO2 nhằm làm tăng hoạt tính xúc tác của vật liệu nhưng hiệu suất ít thay đổi so với TiO2 nguyên chất Việc nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu. .. hay kết hợp nhiều phương pháp nhưng hiệu quả của chúng không cao do chi phí cao, khả năng tái sử dụng thấp Hiện nay, vật liệu quang xúc tác với khả năng xử lý môi trường là lĩnh vực được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu Trước đây, vật liệu quang xúc tác chủ yếu được nghiên cứu là là TiO2 với các ưu điểm như rẻ tiền, ít độc hại, độ bền quang hóa cao, [9, 22] Tuy nhiên, vật liệu này... (Eg) của các chất xúc tác, xúc tác nhận năng lượng từ các bức xạ kích thích các electron hóa trị, các electron này sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống (hole) mang điện tích dương ở vùng hóa trị để tạo ra cặp điện tử e và lỗ trống h+ (1) Cặp điện tử e và lỗ trống này có thể tái tổ hợp ngay trên bề mặt xúc tác làm giảm mạnh hoạt tính xúc tác của vật liệu - Cặp e và h+... pha của vật liệu là tỉ lệ mol giữa các kim loại Bi/Fe và nhiệt độ nung mẫu Sản phẩm sau quá trình tổng hợp được mang đi xác định thành phần cấu trúc, kích thước hat, 2.2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái và kích thước vật liệu a Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)[2] Kỹ thuật nhiễu xạ tia X cung cấp một số thông tin chủ yếu đối với vật liệu nghiên cứu như: sự tồn tại các pha định tính, ... sắt điện và phản sắt từ [12, 26, 27, 36, 39] Những đặc tính này của bitmut ferit được áp dụng cho một số thiết bị: nguyên tố nhớ nhiều trạng thái, thiết bị cộng hưởng sắt từ điều khiển bởi điện trường, bộ chuyển đổi với modun áp điện có tính chất từ và bộ lưu dữ liệu Gần đây, hoạt tính quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ của vật liệu BiFeO3 mới được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [11,... sản phẩm ổn định cuối cùng) Phản ứng quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ làm tăng hiệu suất và giảm thời gian phân hủy của phản ứng quang hóa tự nhiên, sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy là các hợp chất như CO2 và H2O không gây độc cho môi trường Cơ chế phản ứng của quá trình (Hình 1.4) như sau : Hình 1.4: Cơ chế quá trình quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ - Khi chiếu các bức xạ có... tổng hợp dưới dạng cấu trúc perovskit (Hình 1.1) Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể BiFeO3 Cấu trúc perovskit của vật liệu là tên gọi chung của các hệ vật liệu có cấu trúc tinh thể ABO3 giống với cấu trúc của khoáng chất canxi titanat CaTiO3 Khoáng chất canxi titanat được tìm thấy đầu tiên bởi Gustav Rose một người Nga tại dãy núi Uran (Nga) vào năm 1983 Sau đó, tên của hệ vật liệu này được đặt theo tên của ... đối tượng nghiên cứu khả quang xúc tác vật liệu BFO 1.2.4 Phản ứng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu Phản ứng quang xúc tác trình kích thích phản ứng quang hóa chất xúc tác Phản ứng quang hóa... 22] Vì vậy, BiFeO3 đối tượng nghiên cứu hướng đến nhằm thay vật liệu TiO2 truyền thống Không nằm xu hướng đề tài Tổng hợp nghiên cứu tính chất quang xúc tác vật liệu BiFeO3 kích thước nanomet ... NHIÊN - Nguyễn Thị Hà Chi TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: Hóa học Vô Mã số: 60440113 LUẬN VĂN