Luận văn Tổng hợp̣, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano SrTiO₃

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGÔ HUY HẢI TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO SrTiO3 Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. BÙI ĐỨC NGUYÊN THÁI NGUYÊN - NĂM 2017 i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng trong bấ t cứ môṭ công trình nào. Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, tháng 09 năm 2017 Tác giả luận văn NGÔ HUY HẢI Xác nhận của Trưởng khoa Hóa học Xác nhận của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. NGUYỄN THỊ HIỀN LAN PGS.TS. BÙI ĐỨC NGUYÊN ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên và giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo, bạn bè và gia đình. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Khoa Hóa hoc,̣ Phòng Đào tạo - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã cung cấp những kiến thức giúp tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:PGS. TS . Bùi Đức Nguyên người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Với khối lượng công việc lớn, thời gian nghiên cứu có hạn, khả năng nghiên cứu còn hạn chế, chắc chắn luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp từ thầy giáo, cô giáo và bạn đọc. Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng 09 năm 2017 Tác giả Ngô Huy Hải iii MỤC LỤC TRANG BÌAPHỤ .................................................................................................... i LỜI CAM ÐOAN ............................................................................................................. ii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iii MỤCLỤC ........................................................................................................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾTTẮT ................................................................................. vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 2 1.1. VÂṬ LIÊỤ NANO .......................................................................................... 2 1.1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano ............................................................................ 2 1.1.2. Perovskit ............................................................................................................... 3 1.1.2.1.Giới thiệu về perovskit ......................................................................................... 3 1.1.2.2.Cấu trúc lí tưởng của perovskit ............................................................................. 5 1.1.2.3.Tính chất của perovskit ......................................................................................... 6 1.1.2.4.Các phương pháp hóa học điều chế perovskit ...................................................... 7 1.2. Tính chất quang xúc tác của vâṭ liêụ bán dẫn nano ................................................. 10 1.2.1. Giới thiệu về xúc tác quang bán dẫn ............................................................... 10 1.2.2. Cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn .......................................................... 11 1.3. Ứng dụng của vật liệu nano ................................................................................. 15 1.3.1. Trong ngành công nghiệp ................................................................................. 15 1.3.2. Trong y học ......................................................................................................... 15 1.3.3. Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường...................................................... 16 1.4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ................................................................................................. 20 1.5. CÁ C PHƯƠNG PHÁ P PHÂN TÍCH MẪU TRONG LUÂṆ VĂN ........... 22 1.5. 1. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis................................................................................ 22 1.5. 2. Nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................................................................... 22 iv 1.5. 3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....................................................................... 25 1.5.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-ViS (DRS) .......................................................... 25 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIÊṂ ...................................................................................... 27 2.1. MUC̣ TIÊU VÀ NÔỊ DUNG NGHIÊN CỨ U .............................................. 27 2.1.1. Muc̣ tiêu nghiên cứ u ............................................................................................. 27 2.1.2. Nôị dung nghiên cứ u ............................................................................................. 27 2.2. HÓ A CHẤ T VÀ THIẾ T BI ................................̣ .......................................... 27 2.2.1. Hóa chất ................................................................................................................ 27 2.2.2. Dung̣ cu ̣và thiết bi ................................̣ ................................................................ 27 2.3. CHẾ TAỌ VÂṬ LIÊỤ ................................................................................... 28 2.4. CÁ C KỸ THUÂṬ ĐO KHẢ O SÁ T TÍNH CHẤ T CỦ A VÂṬ LIÊỤ .......... 28 2.4.1. Nhiễu xa ̣tia X ....................................................................................................... 28 2.4.2. Hiển vi điêṇ tử truyền qua (TEM) ........................................................................ 29 2.4.3. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) ............................................................... 29 2.4.4. Phổ tán xạ tia X (EDX) ......................................................................................... 29 2.5. QUANG XÚ C TÁ C PHÂN HỦ Y HƠP̣ CHẤ T RHODAMINE B .............. 29 2.5.1. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu vật liệu ..................... 29 2.5.2. Hiêụ suất quang xúc tác ....................................................................................... 29 CHƯƠNG 3: KẾ T QUẢ VÀ THẢ O LUÂṆ ................................................................. 31 3.1. THÀ NH PHẦ N, ĐĂC̣ TRƯNG CẤ U TRÚ C CỦ A VÂṬ LIÊỤ .................. 31 3.1.1. Kết quả nhiễu xa ̣tia X(XRD) .............................................................................. 31 3.1.2. Kết quả chup̣ phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .............................................. 33 3.1.3. Kết quả chup̣ TEM ............................................................................................ 33 3.1.4. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis ............................................................. 36 3.2. HOAṬ TÍNH QUANG XÚ C TÁ C PHÂN HỦ Y CHẤT HỮU CƠ ............. 38 3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu .......................................... 38 3.2.2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB của vật liệu SrTiO3 ............................... 40 3.2.3. Hoaṭ tính quang xúc tác phân hủy metyl da cam của SrTiO3 .................... 42 KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 46 v 0 Phu ̣luc̣ 1 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nano SrTiO3 ở 400 C .......................... 50 Phu ̣luc̣ 2: Giản đồ nhiễu xa ̣tia X của vâṭ liêụ Nano SrTiO3 ở 5000C .......................... 50 Phu ̣luc̣ 3: Giản đồ nhiễu xa ̣tia X của vâṭ liêụ Nano SrTiO3 ở 6000C .......................... 50 0 Phu ̣luc̣ 4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nano SrTiO3 ở 700 C ........................... 51 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.2 . Các các hợp chất hữu cơ thường được sử dụng nghiên cứu trong phản ứng quang xúc tác của TiO2 ........................................................................................................................................................................................ 20 v DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Phân loại vật liệu theo số chiều ........................................................... 2 Hình 1.2: Cấu trúc lý tưởng (lập phương) của perovskit ................................... 5 Hình 1.3: Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu xạ với bước sóng thích hợp. .............................................................................................................. 12 Hình 1.4: Giản đồ thế oxi hóa khử của các cặp chất trên bề mặt TiO2 ................... 13 Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile. ................................ 14 ● - Hình 1.6: Sự hình thành gốc HO và O2 . .............................................................. 14 Hình 1.7: Cơ chế quang xúc tác TiO2 tách nước cho sản xuất hiđro ...................... 18 Hình1.8: Cườ ng đô ̣ tia sáng trong phương pháp UV-Vis ....................................... 22 Hình 1.9: Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt phẳng tinh thể chất rắn .... 23 Hình 1.10: Sơ đồ mô tả hoạt động nhiễu xạ kế bột ................................................ 24 Hình 1.11: Kính hiển vi điện tử truyền qua . ......................................................... 25 o Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xa ̣tia X củ a các vâṭ liêụ nano SrTiO3 ở 400 C ............... 31 o Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xa ̣tia X củ a các vâṭ liêụ nano SrTiO3 ở 500 C ............... 31 o Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xa ̣tia X củ a các vâṭ liêụ nano SrTiO3 ở 600 C ............... 32 o Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xa ̣tia X củ a các vâṭ liêụ nano SrTiO3 ở 700 C ............... 32 Hình 3.5: Phổ EDX của mẫu SrTiO3 ..................................................................... 33 o Hình 3.6. Ả nh TEM củ a vâṭ liêụ nano SrTiO3-400 C ............................................ 34 o Hình 3.7. Ả nh TEM củ a vâṭ liêụ nano SrTiO3-700 C ............................................ 35 Hình 3.8. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis của SrTiO3 điều chế ở các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................................. 36 o Hình 3.9. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis của SrTiO3-700 C so sánh với TiO2 ... 37 Hình 3.11. Phổ hấp phụ phân tử của RhB ban đầu và sau bị hấp phụ bởi vật liệu SrTiO3 ở những khoảng thời gian khác nhau ......................................................... 39 Hình 3.12. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử của dung dịch RhB xử lý bằng các vật liệu SrTiO3 ...................................................................................................... 40 Hình 3.13. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB của SrTiO3 ............................. 41 Hình 3.14. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử của dung dịch MO xử lý bằng các vật liệu SrTiO3 sau những khoảng thời gian chiếu sáng khác nhau ........................ 42 Hình 3.15. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy metyl dacam của các mẫu vật liệu dưới ánh sáng khả kiến ......................................................................................... 43 vi DANH MUC̣ CÁ C TỪ VIẾ T TẮ T STT Từ viết tắ t Từ gốc 1 TBOT Tetra butyl orthotitanat 2 VB Vanlence Band 3 CB Conduction Band 4 TEM Transsmision Electronic Microscopy 5 BET Brunauer Emmett Teller method 6 RhB Rhodamine B 7 MO Methyl orange vii MỞ ĐẦU Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt nam, các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu để tìm ra chất bán dẫn quang xúc tác có hiệu suất cao để ứng dụng xử lý các chất hữu cơ độc hại có trong môi trường nước thải. Gần đây các hợp chất có cấu trúc perovskite, đặc biệt là hợp chất ABO3 (A = Sr, Ba, Pb, Ca và B = Ti, Zr) đã được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do các ứng dụng to lớn của chúng trong kỹ thuật và đời sống. Trong họ vật liệu ABO3, vật liệu điện môi strontium titanate SrTiO3 (STO) được nghiên cứu nhiều hơn cả, nhất là sau khi khám phá ra tính chất sắt điện của chúng. Vật liệu ABO3 thể hiện những đặc tính rất thú vị như tính chất quang hóa, tính chất sắt điện,tính chất áp điện và nhiều tính chất khác. Tuy nhiên, các nghiên cứu tập trung nhiều vào tính chất điện từ của chúng, các nghiên cứu về ứng dụng quang xúc tác của hệ vật liệu STO còn rất ít.Đặc biệt, đối với họ vật liệu ABO3, sự thay thế các nguyên tố khác vào các vị trí của A hoặc B hoặc thay thế đồng thời cùng lúc hai vị trí tạo ra rất nhiều sự thay đổi tính chất. Khi có sự pha tạp, tính chất qunga, điện của các vật liệu perovskite có khá nhiều hứa hẹn cải thiện để phù hợp với các mục đích ứng dụng khác nhau. Do đó, em chọn đề tài “Tổng hơp,̣ nghiên cứ u đăc̣ trưng cấu trú c và hoaṭ tính quang xú c tác của vâṭ liêụ nano SrTiO3” 1