BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU Ta2O5 PHA TẠP NITƠ Học viên thực hiện: Người hướng dẫn khoa học: Trương Thị Mỹ Trúc PGS.TS Võ Viễn CẤU TRÚC LUẬN VĂN 1- Lý chọn đề tài 2- Mục tiêu nghiên cứu 3- Nội dung nghiên cứu 4- Phương pháp nghiên cứu 5- Kết - Thảo luận Lý chọn đề tài Ô nhiễm môi trường Sử dụng lượng mặt trời Ô nhiễm nước Thân thiện với môi trường, có khả tái sinh Xúc tác Xử lý môi trường nước quang Chi phí sản xuất thấp Tạo tác nhân oxi hóa mạnh Cơ chế xúc tác quang E= hν + C (chất bán dẫn) + hν → e CB + h VB Cơ chế phản ứng xảy sau: + hVB + H 2O → HO • + H + − hv eCB + O2  → •O2− •O2− + H 2O → H 2O2 + HO − + O2 − H 2O2 + eCB → HO • + HO − + hVB + HO − → HO • Vật liệu Ta2O5 Ưu điểm: Ta2O5 tạo lớp bao phủ tốt ổn định nhiệt, có hoạt tính cao việc phân hủy phân tử hợp chất hữu xạ tia cực tím nên vật liệu có tính quang xúc tác hiệu Hình 1.1 Dạng bề Tantan (V) oxit Nhược điểm: Năng lượng vùng cấm cao (Eg ~ 3,8eV); tái kết hợp + nhanh eCB hVB quang sinh → làm giảm hiệu suất xúc tác quang Hướng khắc phục: - Giảm lượng vùng cấm → pha tạp (nitơ) ► “Nghiên cứu tổng hợp ứng dụng làm chất xúc tác quang vật liệu Ta 2O5 pha tạp Nitơ” Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp biến tính vật liệu Ta2O5 có hoạt tính xúc tác quang hiệu vùng ánh sáng khả kiến cho phản ứng phân hủy hợp chất hữu độc hại có nước Phản ứng khử Vi sib le l ig ht eCB eCB eCB eCB eCB eCB CB 2,7eV 3,8eV Ta2O5 g-C3N4 + + + hVB hVB hVB + + + hVB hVB hVB VB Phản Phản ứng ứng oxi oxi hóa hóa Nội dung đề tài ♦ Tổng hợp vật liệu ♦ Đặc trưng vật liệu ♦ Đánh giá hoạt tính quang xúc tác vật liệu chiếu xạ ánh sáng khả kiến PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Tổng hợp vật liệu 4.1.1 Tổng hợp vật liệu xúc tác g-C3N4 o Nung 500 C Melamin g-C3N4 1h 4.1.2 Tổng hợp Ta2O5 vô định hình có cấu trúc mao quản + P123 Etanol + TaCl5 Dung dịch B Dung dịch A Khuấy tan + urê Khuấy tan o Sấy 60 C Chất keo D Nung ngày Nung Chất rắn G Chất rắn F o 500 C 4h Chất keo D Dung dịch C Khuấy 1h Chất rắn E 24h Để yên o 550 C 6h (kí hiệu A-Ta2O5) 4.1.3 Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ A-Ta2O5 + melamin Nung n= 1,2,3 : số lần xử lí melamin Chất rắn (nN-A-Ta2O5) o 500 C 1h (Tỉ lệ 1:3) 4.1.4 Tổng hợp vật liệu xúc tác Ta2O5 mao quản trung bình Nung pha tạp nitơ n= 1,2,3 : số lần xử lí Chất rắn (nN-A-Ta2O5 -650) nN-A-Ta2O5 o 650 C 2h melamin 4.1.5 Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5 Nung Ta2O5 + melamin (Tỉ lệ 1:3) Chất rắn (N-Ta2O5) o 500 C 1h 4.2 Đặc trưng vật liệu Nhiễu xạ tia X (XRD) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Phổ UV-Vis trạng thái rắn Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Phương pháp phân tích nhiệt TG-DTA Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ NiTơ Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA) Hình 3.20 Đường TG-DTA vật liệu 2N-A-Ta 2O5 Bảng 3.2 Phân tích TG-DTA vật liệu A-Ta 2O5, 1N-A-Ta2O5,2N-A-Ta2O5 Mẫu Nhiệt độ Khối lượng giảm Nguyên nhân A-Ta2O5 o Dưới 200 C(pic thu nhiệt 80 15% Mất nước vật lý o C) 1N- A-Ta2O5 o 400-600 C 50% g-C3N4 bị phân hủy 2N- A-Ta2O5 o 400-600 C 80% g-C3N4 bị phân hủy 5.2.3 Đặc trưng vật liệu A- Ta2O5 pha tạp N Hình 3.21 Ảnh mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Các sản phẩm composit Ta2O5 mao quản trung bình với g-C3N4 (1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5 o 3N-A- Ta2O5), sản phẩm nung 650 C để loại g-C3N4 Nhiễu xạ tia X(XRD) Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu 1N-A- Ta 2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Giản đồ XRD có pha Ta2O5 đặc biệt xuất pic 27 độ Điều chứng tỏ nhiệt độ nung g-C3N4 bị phân hủy Phổ hồng ngoại (IR) Hình 3.23 Phổ hồng ngoại mẫu 1N-A- Ta 2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Phổ IR cho thấy pic thuộc Ta2O5, không quan sát pic đặc trưng cho g-C3N4 Điều o lần chứng minh g-C3N4 bị phân hủy xử lý mẫu 650 C Phổ UV-Vis trạng thái rắn Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn vật liệu 1N-A-Ta 2O5 650, 2N-A-Ta2O5 650, 3N-A-Ta2O5 650 Ba mẫu có khả hấp thụ ánh sáng khả kiến tăng dần từ 1N-A- Ta 2O5 650 đến 2N-A- Ta2O5 650 lớn 3N-A- Ta2O5 650 5.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu Ta2O5 biến tính Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn hấp phụ vật liệu A- Ta 2O5; 1N-A-Ta2O5, 2N-ATa2O5 mẫu vật liệu hấp phụ mạnh đầu tiên, giảm nhanh thứ hai cân thiết lập sau khoảng thời gian thời gian khuấy bóng tối để khảo sát khả xúc tác quang So sánh hoạt tính xúc tác g- C3N4 với Ta2O5 cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ H=36% H=41% H=62,5% H =82,8% Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang vật liệu g-C 3N4, A-Ta2O5, 1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5 •Vật liệu sau biến tính hoạt tính xúc tác cao g-C 3N4 A-Ta2O5 • 1N-A-Ta2O5 hoạt tính xúc tác cao 2N-A-Ta2O5 lượng g-C3N4 2N-A-Ta2O5 làm che phủ Ta2O5 →hiệu suất giảm hoạt tính xúc tác Riêng 1N-A-Ta2O5 có hiệu ứng cộng hợp (synergistic effect) Ta2O5 g- C3N4 So sánh hoạt tính xúc tác Ta2O5 cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ với g-C3N4/ Ta2O5 H=61,1% H=82,8% Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang vật liệu 1N-ATa2O5, 1N-Ta2O5 Ta2O5 dạng mao quản tốt so với dạng khối, dạng thương mại dùng trực tiếp So sánh hoạt tính xúc tác Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc C/Co xanh metylen theo thời gian phản ứng t vật liệu 1N-A-Ta 2O5 650, 2N-A-Ta2O5 650 3N-A-Ta2O5 650 Vật liệu 3N-A-Ta2O5 650 có hoạt tính xúc tác quang cao lượng nitơ thay oxi liên kết Ta-O vật liệu nhiều Nghiên cứu trình động học phản ứng Hình 3.29 Đồ thị mô mô hình Langmuir-Hinshelwood vật liệu Hình 3.30 Đồ thị mô mô hình Langmuir-Hinshelwood vật liệu 1N- g-C3N4, A-Ta2O5, 1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5 Ta2O5, 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Quá trình xúc tác quang tuân theo mô hình Langmuir-Hinshelwood Nghiên cứu trình động học phản ứng Bảng 3.2 Bảng tổng kết số liệu số tốc độ theo mô hình Langmuir-Hinshewood STT Mẫu vật liệu Hằng số tốc độ k Hệ số hồi quy R g-C3N4 0.0713 0.98801 A-Ta2O5 0.0857 0.98419 1N-A-Ta2O5 0.2652 0.99675 2N-A-Ta2O5 0.14694 0.99322 1N-Ta2O5 0.14698 0.97883 1N-A-Ta2O5-650 0.0736 0.98277 2N-A-Ta2O5-650 0.04811 0.99506 3N-A-Ta2O5-650 0.1136 0.98843 2 1N-A-Ta2O5 có k = 0.2652 với R = 0.99675 cao mẫu vật liệu cho hoạt tính xúc tác quang tốt số mẫu điều chế KẾT LUẬN o Đã tổng hợp mẫu vật liệu g-C3N4 từ melamin cách nung cốc kín 500 C 2 Vật liệu Ta2O5 mao quản trung bình có diện tích bề mặt 57,86 m /g kích thước mao quản từ 3-5 nm tổng hợp thành công Đã tổng hợp vật liệu compozit g-C3N4 Ta2O5 với hàm lượng g-C3N4/Ta2O5 khác Vật liệu Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ điều chế cách nung compozit g-C 3N4/ Ta2O5 o 650 C Các vật liệu thu có khả phân hủy xanh metylen điều kiện ánh sáng khả kiến Mẫu có hoạt tính tốt mẫu composit chứa Ta2O5 dạng mao quản trung bình lượng g-C3N4 thích hợp Việc tăng hàm lượng g-C3N4 composit cho kết không tốt Mẫu composit chứa Ta 2O5 dạng khối không tốt Ta2O5 dạng mao quản KIẾN NGHỊ Từ các kết đạt nghiên cứu biến tính Ta2O5 để ứng dụng làm chất xúc tác quang, đề tài phát triển theo các hướng sau: • • Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu compozit g-C3N4/Ta2O5 cấu trúc mao quản trung bình Pha tạp thêm các kim loại Ag, Cu để làm giảm tái tổ hợp cặp điện tử lỗ trống từ tăng hoạt tính xúc tác quang vật liệu Em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn lắng nghe [...]... thu nhiệt ở 80 15% Mất nước vật lý o C) 1N- A -Ta2O5 o 400-600 C 50% g-C3N4 bị phân hủy 2N- A -Ta2O5 o 400-600 C 80% g-C3N4 bị phân hủy 5.2.3 Đặc trưng vật liệu A- Ta2O5 pha tạp N Hình 3.21 Ảnh của các mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Các sản phẩm composit của Ta2O5 mao quản trung bình với g-C3N4 (1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5 và o 3N-A- Ta2O5) , các sản phẩm này được nung ở 650 C để loại... tính xúc tác của g- C3N4 với Ta2O5 cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ H=36% H=41% H=62,5% H =82,8% Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu g-C 3N4, A -Ta2O5, 1N-A -Ta2O5, 2N-A -Ta2O5 •Vật liệu sau khi biến tính hoạt tính xúc tác cao hơn g-C 3N4 và A -Ta2O5 • 1N-A -Ta2O5 hoạt tính xúc tác cao hơn 2N-A -Ta2O5 do lượng g-C3N4 trong 2N-A -Ta2O5 làm che phủ Ta2O5 →hiệu suất giảm hoạt tính... 1N-A -Ta2O5 có hiệu ứng cộng hợp (synergistic effect) giữa Ta2O5 và g- C3N4 So sánh hoạt tính xúc tác của Ta2O5 cấu trúc mao quản, pha tạp Nitơ với g-C3N4/ Ta2O5 H=61,1% H=82,8% Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn hoạt tính xúc tác quang của các vật liệu 1N-ATa2O5, 1N -Ta2O5 Ta2O5 ở dạng mao quản tốt hơn so với dạng khối, dạng thương mại dùng trực tiếp So sánh hoạt tính xúc tác của Ta2O5 mao quản trung bình pha. .. 1N-A -Ta2O5, 2N-A -Ta2O5 và 1N -Ta2O5 νC-N( Nsp3) Phổ UV-Vis trạng thái rắn Bảng 3.1 Năng lượng vùng cấm của các vật liệu Mẫu vật liệu Đỉnh pic hấp thụ (nm) Eg (eV) A -Ta2O5 319.5 3.88 1N-A -Ta2O5 449.2 2.76 2N-A -Ta2O5 449.2 2.76 1N -Ta2O5 765 1.62 Vật liệu sau khi biến tính Eg giảm 3,88 eV(A -Ta2O5 )→ Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn của các vật liệu A-Ta 2O5; 1N-A -Ta2O5, 2N-A -Ta2O5, 1N -Ta2O5. .. tia X của các mẫu 1N-A- Ta 2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Giản đồ XRD chỉ ra có một pha duy nhất là Ta2O5 và đặc biệt không có sự xuất hiện pic ở 27 độ Điều này chứng tỏ ở nhiệt độ nung này g-C3N4 đã bị phân hủy Phổ hồng ngoại (IR) Hình 3.23 Phổ hồng ngoại của các mẫu 1N-A- Ta 2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Phổ IR cho thấy các pic thuộc về Ta2O5, không quan sát được các pic đặc... liệu 1N-A-Ta 2O5 650, 2N-A -Ta2O5 650, 3N-A -Ta2O5 650 Ba mẫu đều có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và tăng dần từ 1N-A- Ta 2O5 650 đến 2N-A- Ta2O5 650 và lớn nhất là 3N-A- Ta2O5 650 5.3 KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu Ta2O5 biến tính Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn hấp phụ của các vật liệu A- Ta 2O5; 1N-A -Ta2O5, 2N-ATa2O5 3 mẫu vật liệu hấp phụ... eV (1N-A -Ta2O5, 2N-A -Ta2O5) Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA) Hình 3.18 Đường TG-DTA của vật liệu A-Ta 2O5 Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA) Hình 3.19 Đường TG-DTA của vật liệu 1N-A -Ta2O5 Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA) Hình 3.20 Đường TG-DTA của vật liệu 2N-A-Ta 2O5 Bảng 3.2 Phân tích TG-DTA của vật liệu A-Ta 2O5, 1N-A -Ta2O5, 2N-A -Ta2O5 Mẫu Nhiệt độ Khối lượng giảm Nguyên nhân A -Ta2O5 o Dưới... đồ XRD của các mẫu A -Ta2O5 biến tính o 50,8 o o Hiển vi điện tử quét (SEM) kích thước không đồng g -C3N4 hình thành đều, kết dính với nhau bao bọc trên các hạt của hình (a) hạt vỡ vụn ra (phản ứng ngưng tụ melamin xảy ra trên bề mặt các một lớp hạt trong hình b) g-C3N4 trên các hạt Ta2O5 thương mại Hình 3.15 Ảnh SEM của các mẫu A- Ta2O5( a), 1N-A- Ta2O5 (b), 2N-A- Ta2O5 (c) và 1N- Ta2O5 (d) Phổ hồng ngoại... g-C3N4/A -Ta2O5 Hình 3.13 Hình ảnh của các vật liệu tổng hợp Sau khi thu được vật liệu mao quản trung bình A-Ta 2O5, sử dụng vật liệu này để biến tính bởi nung với melamin lần thứ nhất, ký hiệu là 1N-A- Ta2O5, sau đó dùng 1N-A- Ta2O5 nung với melamin một lần nữa, mẫu được ký hiệu là 2N-A- Ta2O5 Để so sánh, dùng Ta2O5 thương mại nung với melamin, mẫu ký hiệu là 1N- Ta 2O5 5.2.2 Vật liệu composit g-C3N4/A -Ta2O5. .. thương mại dùng trực tiếp So sánh hoạt tính xúc tác của Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc C/Co của xanh metylen theo thời gian phản ứng t trên các vật liệu 1N-A-Ta 2O5 650, 2N-A -Ta2O5 650 và 3N-A -Ta2O5 650 Vật liệu 3N-A -Ta2O5 650 có hoạt tính xúc tác quang cao nhất là do lượng nitơ thay thế oxi trong liên kết Ta-O của vật liệu này nhiều nhất  ... liệu A- Ta2O5 pha tạp N Hình 3.21 Ảnh mẫu 1N-A- Ta2O5 650, 2N-A- Ta2O5 650, 3N-A- Ta2O5 650 Các sản phẩm composit Ta2O5 mao quản trung bình với g-C3N4 (1N-A- Ta2O5, 2N-A- Ta2O5 o 3N-A- Ta2O5) ,... tác Ta2O5 mao quản trung bình Nung pha tạp nitơ n= 1,2,3 : số lần xử lí Chất rắn (nN-A -Ta2O5 -650) nN-A -Ta2O5 o 650 C 2h melamin 4.1.5 Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4 /Ta2O5 Nung Ta2O5. .. Giảm lượng vùng cấm → pha tạp (nitơ) ► “Nghiên cứu tổng hợp ứng dụng làm chất xúc tác quang vật liệu Ta 2O5 pha tạp Nitơ 2 Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp biến tính vật liệu Ta2O5 có hoạt tính