intTypePromotion=1

Động lực học phản ứng quang xúc tác phân hủy phenol đỏ trong pha lỏng trên xúc tác TiO2 biến tính bằng Doping Nitơ

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0
39
lượt xem
7
download

Động lực học phản ứng quang xúc tác phân hủy phenol đỏ trong pha lỏng trên xúc tác TiO2 biến tính bằng Doping Nitơ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chemical doping nitrogen in to TiO2 crystal network by methods of sol-gel and impregnation was presented. The obtained nitrogen-doped TiO2 materials were characterized by different techniques such as XRD, SEM, UV-VIS. It was shown that samples have very uniform nano size, anatas structure and low level of band-gap energy (Ebg ~ 2.2 eV, ~ 500 - 600 nm). Their activity and kinetic were also studied and the results proved that in comparison with P25, the obtained nitrogen-doped TiO2 had higher activity and photo-quantum efficiency in organic disintegrated reaction under solar radiation.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Động lực học phản ứng quang xúc tác phân hủy phenol đỏ trong pha lỏng trên xúc tác TiO2 biến tính bằng Doping Nitơ

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (6A), Tr. 59 - 64, 2007<br /> <br /> <br /> <br /> §éng häc cña ph¶n øng quang xóc t¸c ph©n hñy<br /> phenol ®á trong pha láng trªn xóc t¸c TiO2 biÕn tÝnh<br /> b NG doping NIT<br /> §Õn Tßa so¹n 15-11-2007<br /> NguyÔn §×nh TuyÕn<br /> ViÖn Hãa häc ViÖn Khoa häc v& C«ng nghÖ ViÖt Nam<br /> <br /> <br /> Summary<br /> Chemical doping nitrogen in to TiO2 crystal network by methods of sol-gel and impregnation<br /> was presented. The obtained nitrogen-doped TiO2 materials were characterized by different<br /> techniques such as XRD, SEM, UV-VIS. It was shown that samples have very uniform nano size,<br /> anatas structure and low level of band-gap energy (Ebg ~ 2.2 eV, ~ 500 - 600 nm). Their activity<br /> and kinetic were also studied and the results proved that in comparison with P25, the obtained<br /> nitrogen-doped TiO2 had higher activity and photo-quantum efficiency in organic disintegrated<br /> reaction under solar radiation.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu dÞch NH3 (25%), TiO2 (P25, Deggusa). Qui tr×nh<br /> tæng hîp vËt liÖu xóc t¸c TiO2 doping nit¬ ®%îc<br /> Nghiªn cøu ph¸t triÓn kü thuËt doping vËt tiÕn h"nh nh% sau<br /> liÖu quang xóc t¸c dÞ thÓ nano TiO2 l"m t¨ng - Ph%¬ng ph¸p tÈm: Cho 5 ml dung dÞch ure<br /> c%êng tÝnh nh¹y quang, kh¶ n¨ng hÊp thô ¸nh 4 M nhá tõ tõ v"o cèc chøa 2 g bét titandioxit<br /> s¸ng nh×n thÊy v" ho¹t tÝnh xóc t¸c ®1 v" ®ang P25. KhuÊy ®Òu hçn hîp, ®Ó yªn trong tèi 24 h.<br /> thu hót sù quan t©m cña c¸c nghiªn cøu gÇn ®©y Sau ®ã l"m kh« v" sÊy t¹i nhiÖt ®é 100oC trong<br /> [1, 2, 3]. Trong c«ng tr×nh n"y chóng t«i tiÕn 24 giê. Nung mÉu ë 550oC trong trong 4 giê.<br /> h"nh tæng hîp v" ®Æc tr%ng vËt liÖu nano TiO2 MÉu t¹o th"nh kÝ hiÖu l" T.<br /> doping nit¬ theo ph%¬ng ph¸p tÈm v" ph%¬ng<br /> - Ph%¬ng ph¸p sol-gel: T¹o hidroxit titan<br /> ph¸p sol-gel. Ho¹t tÝnh quang xóc t¸c v" ®éng<br /> b»ng c¸ch nhá 8,93 g dung dÞch TBOT v"o<br /> häc ph¶n øng ph¶n øng oxi hãa phenol ®á trong<br /> dung dÞch chøa 100 ml n%íc cÊt v" 30 ml<br /> pha láng d%íi c¸c ®iÒu kiÖn chiÕu x¹ ¸nh s¸ng<br /> propanol, khuÊy trong 30 phót. Nhá chËm<br /> tö ngo¹i v" ¸nh s¸ng mÆt trêi cña c¸c vËt liÖu<br /> 20ml H2O2 30% v"o hçn hîp trªn t¹o khèi gel<br /> n"y ®%îc nghiªn cøu v" so s¸nh víi vËt liÖu<br /> láng ®ång nhÊt. §%a tõ tõ 5,3 ml dung dÞch ure<br /> TiO2 th%¬ng m¹i P25 (Deggusa).<br /> 4 M v"o hçn hîp ®ã, khuÊy ®Òu trong 1 giê.<br /> KÕt tña ®%îc läc v" sÊy ë 80oC trong 24 giê, sau<br /> II - Thùc nghiÖm ®ã nung ë 400oC trong 4 giê. MÉu t¹o th"nh cã<br /> mÇu v"ng nh¹t, kÝ hiÖu l" S.<br /> 1. Tæng hîp vËt liÖu TiO2 doping Nit¬<br /> 2. C¸c ph ¬ng ph¸p hãa lý ®Æc tr ng vËt<br /> Hãa chÊt sö dông: Tetra-n-butyl liÖu v" ®¸nh gi¸ ho¹t tÝnh xóc t¸c<br /> octhotitanate (TBOT) C16H36O4Ti 99,98%<br /> (Merk), Ure, hydrro peroxit H2O2 30%, dung C¸c mÉu vËt liÖu ®%îc ®Æc tr%ng b»ng c¸c<br /> <br /> 59<br /> ph%¬ng ph¸p phæ nhiÔu x¹ R¬nghen (XRD), Rutil so víi mÉu tæng hîp b»ng ph%¬ng ph¸p sol<br /> ph%¬ng ph¸p phæ tö ngo¹i kh¶ kiÕn (UV-VIS), – gel, tuy nhiªn tØ lÖ cña d¹ng Rutil trong vËt<br /> hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM). Ho¹t tÝnh xóc t¸c liÖu l" kh«ng ®¸ng kÓ v× c¸c pic ®Æc tr%ng cña<br /> quang hãa cña vËt liÖu ®%îc kh¶o s¸t qua ph¶n Rutil cã c%êng ®é rÊt nhá so víi pic ®Æc tr%ng<br /> øng oxi hãa phenol ®á trong thiÕt bÞ khuÊy (víi cña anatas [4, 6].<br /> tèc ®é khuÊy trén cao ®Ó b¶o ®¶m lo¹i trõ sù<br /> ¶nh h%ëng cña hiÖn t%îng khuÕch t¸n ngo"i)<br /> d%íi ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng UV v" ®iÒu kiÖn ¸nh<br /> s¸ng mÆt trêi. C¸c chÊt tham gia ph¶n øng l": 1<br /> g xóc t¸c + 0,07 g phenol ®á + 1,7 g H2O2<br /> (30%). Nång ®é chÊt ph¶n øng ®%îc x¸c ®Þnh<br /> theo ph%¬ng ph¸p ®o mËt ®é quang víi viÖc x©y<br /> dùng ®%êng cong chuÈn [1].<br /> <br /> III - KÕt qu¶ v th¶o luËn<br /> <br /> 1. KÕt qu¶ tæng hîp vËt liÖu TiO2 doping nit¬<br /> Chóng t«i ®1 tiÕn h"nh tæng hîp vËt liÖu<br /> b»ng ph%¬ng ph¸p Sol – Gel v" mÉu ®%îc ký<br /> hiÖu l" S, mÉu ®%îc tæng hîp b»ng ph%¬ng ph¸p<br /> tÈm ký hiÖu l" T.<br /> 2. KÕt qu¶ nhiÔu x¹ R¬nghen (XRD) H×nh 1: Gi¶n ®å nhiÔu x¹ R¬nghen cña c¸c mÉu<br /> C¸c mÉu T, S ®%îc ®em chôp R¬nghen v"<br /> ®%îc ®%a ra trªn h×nh 1. Tõ kÕt qu¶ trªn ta cã 3. KÕt qu¶ hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM)<br /> thÓ nhËn thÊy pic ®Æc tr%ng cña d¹ng anatas.<br /> Cùc ®¹i nhiÔu x¹ cã c%êng ®é lín nhÊt n»m ë vÞ Tõ ¶nh SEM cña P25, mÉu S v" mÉu T (h×nh<br /> trÝ 2 theta b»ng 25,4o ®Æc tr%ng cho d¹ng tinh 2) ta thÊy r»ng kÝch th%íc h¹t cña vËt liÖu tæng<br /> thÓ anatas cña vËt liÖu, d¹ng tinh thÓ cã ho¹t hîp ®%îc kh¸ ®ång ®Òu v" cã kÝch th%íc nano<br /> tÝnh quang xóc t¸c cao nhÊt. víi gi¸ trÞ trung b×nh kho¶ng 10 ~ 20 nm.<br /> §èi víi mÉu T, ngo"i c¸c pic ®Æc tr%ng cho H×nh d¹ng h¹t cña vËt liÖu ®1 tæng hîp ®Ò<br /> d¹ng anatas cã thªm c¸c pic ®Æc tr%ng cho d¹ng dÆn, ®é tinh thÓ cao v" kh«ng lÉn c¸c pha l¹.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> P25 S T<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 2: ¶nh SEM c¸c mÉu xóc t¸c<br /> <br /> <br /> <br /> 60<br /> <br /> T1(N)<br /> 4. KÕt qu¶ ®o UV-VIS §iÒu ®ã chøng tá viÖc g¾n (doping) Nit¬ v"o<br /> TiO2 dÉn ®Õn kh¶ n¨ng hÊp thô ¸nh s¸ng cã<br /> Phæ UV-VIS cña c¸c mÉu T, S v" P25 ®%îc<br /> b%íc sãng trong vïng nh×n thÊy (¸nh s¸ng mÆt<br /> thÓ hiÖn trªn h×nh 3. ViÖc x¸c ®Þnh møc n¨ng<br /> trêi) cña vËt liÖu. C¸c mÉu chóng t«i tæng hîp<br /> l%îng vïng cÊm Ebg, b%íc sãng hÊp thô tíi h¹n<br /> ®%îc cã kh¶ n¨ng hÊp thô mét phÇn ¸nh s¸ng<br /> gh thùc hiÖn theo [1], kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®%îc vïng kh¶ kiÕn, b%íc sãng hÊp thô giíi h¹n lín<br /> ®%a ra trong b¶ng 1. Tõ c¸c kÕt qu¶ trªn b¶ng 1 nhÊt chóng t«i x¸c ®Þnh ®%îc tõ phæ UV-Vis l"<br /> v" h×nh 3 ta nhËn thÊy tÊt c¶ c¸c mÉu tæng hîp T<br /> gh ~ 600 nm (t%¬ng øng Ebg = 2,05 eV). Víi<br /> v" S ®Òu cã kh¶ n¨ng hÊp thô ¸nh s¸ng n»m trong<br /> møc n¨ng l%îng Ebg cña c¸c mÉu TiO2-biÕn tÝnh<br /> vïng kh¶ kiÕn ( gh~ 410 nm) v" mÉu tæng hîp do chóng t«i tæng hîp ®%îc dao ®éng trong<br /> theo ph%¬ng ph¸p son-gen S cã b%íc sãng giíi kho¶ng 2,00 - 2,48eV, nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi<br /> h¹n hÊp thô lín nhÊt víi gh ~ 600 nm. DÔ d"ng møc n¨ng l%îng Ebg cña P25 (3,20 eV) v× vËy ta<br /> nhËn thÊy r»ng c¸c mÉu tæng hîp víi c¸c nguån cã thÓ lý gi¶i t¹i sao c¸c mÉu xóc t¸c n"y cã thÓ<br /> chøa Nit¬ T, S ®Òu cã b%íc sãng hÊp thô d1n cã ho¹t tÝnh tèt h¬n d%íi bøc x¹ mÆt trêi.<br /> réng vÒ vïng ¸nh s¸ng kh¶ kiÕn ( gh ~ 500nm).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T S P25<br /> H×nh 3: Phæ UV-VIS cña c¸c mÉu xóc t¸c<br /> <br /> B¶ng 1: B%íc sãng giíi h¹n , nm v" n¨ng l%îng vïng cÊm Ebg, eV E bg (eV ) cña c¸c mÉu xóc t¸c<br /> gh<br /> <br /> KÝch th%íc h¹t<br /> MÉu , nm<br /> gh Ebg, eV<br /> (nm)<br /> T(N) 500 2.21 16<br /> S(N) 600 2.05 10<br /> P25 410 3.20 20<br /> <br /> 4. Ph©n tÝch ®éng häc cña qu¸ tr×nh quang ph%¬ng tr×nh Langmuir – Hishelwood, tèc ®é<br /> xóc t¸c TiO2 doping nit¬ ph¶n øng phô thuéc v"o nång ®é ban ®Çu cña<br /> chÊt tham gia ph¶n øng trong dung dÞch , ta cã<br /> Ho¹t tÝnh xóc t¸c cña c¸c mÉu tæng hîp T, S ph%¬ng tr×nh:<br /> v" P25 v" ®éng häc ®%îc kh¶o s¸t qua ph¶n øng<br /> oxi hãa Phenol ®á d%íi ®iÒu kiÖn bøc x¹ tõ mÆt dC kKC o<br /> R= = (1)<br /> trêi v" ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng UV. C¸c kÕt qu¶ thö dt 1 + KC o<br /> ho¹t tÝnh quang xóc t¸c ®%îc ®%a ra trªn h×nh 4.<br /> Gi¶ thiÕt qu¸ tr×nh hÊp phô kÌm ph¶n øng Trong ®ã: R l" tèc ®é ph¶n øng bÒ mÆt, mol/l.s;<br /> quang hãa trªn bÒ mÆt c¸c h¹t TiO 2 tu©n theo k l" h»ng sè tèc ®é ph¶n øng; K l" h»ng sè c©n<br /> b»ng hÊp phô; C0 l" nång ®é ban ®Çu cña dung<br /> 61<br /> dÞch phenol ®á. Mol/l; C l" nång ®é t¹i thêi Trong ®ã kap l" h»ng sè ph¶n øng bËc mét biÓu<br /> ®iÓm bÊt kú cña dung dÞch phenol ®á, mol/l. kiÕn<br /> LÊy tÝch ph©n ph%¬ng tr×nh trªn ta ®%îc: BiÕn ®æi ph%¬ng tr×nh trªn ta ®%îc:<br /> Co<br /> ln( ) + K (C 0 C ) = kKt (2) ln C = ln C o + k ap t (4)<br /> C<br /> V× nång ®é Co rÊt nhá nªn ph%¬ng tr×nh trªn Dùa v"o kÕt qu¶ thùc nghiÖm v" ph%¬ng<br /> trë th"nh: tr×nh trªn ta cã thÓ tÝnh to¸n ®%îc gi¸ trÞ kap ®èi<br /> Co víi c¸c mÉu xóc t¸c v" ®iÒu kiÖn ph¶n øng<br /> ln( ) = kKt = k ap t (3) t%¬ng øng. KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®%îc ®%a ra ë<br /> C b¶ng 2, 3, 4 v" 5.<br /> <br /> B¶ng 2: KÕt qu¶ tÝnh to¸n nång ®é theo mËt ®é quang d%íi ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng UV<br /> MÉu T MÉu S MÉu P25<br /> Nång Nång Nång ®é<br /> Thêi MËt ®é Thêi MËt ®é Thêi MËt ®é<br /> ®é 10- ®é 10-4<br /> gian quang 4<br /> (mol/l)<br /> gian quang<br /> (mol/l)<br /> gian quang 10-4(mol/l)<br /> 0 1,092 1,170 0 1,075 1,151 0 1,091 1,168<br /> 1 0,924 0,990 1 0,771 0,826 1 0,730 0,782<br /> 2 0,785 0,841 2 0,581 0,622 2 0,495 0,530<br /> 3 0,663 0,710 3 0,430 0,461 3 0,346 0,371<br /> 4 0,553 0,593 4 0,327 0,350 4 0,224 0,240<br /> 5 0,481 0,515 5 0,231 0,247 5 0,168 0,178<br /> 6 0,413 0,443 6 0,176 0,189 6 0,127 0,136<br /> <br /> B¶ng 3: KÕt qu¶ tÝnh to¸n nång ®é theo mËt ®é quang d%íi ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng mÆt trêi<br /> <br /> MÉu T MÉu S MÉu P25<br /> Thêi MËt ®é Nång Thêi MËt ®é Nång ®é Thêi MËt ®é Nång ®é<br /> gian quang ®é 10-4 gian quang 10-4 gian quang 10-4 (mol/l)<br /> (mol/l) (mol/l)<br /> 0 1,223 1,310 0 1,223 1,310 0 1,232 1,319<br /> 1 0,849 0,910 1 0,751 0,804 1 0,963 1,032<br /> 2 0,599 0,642 2 0,458 0,491 2 0,731 0,783<br /> 3 0,416 0,446 3 0,294 0,315 3 0,628 0,673<br /> 4 0,282 0,302 4 0,201 0,216 4 0,443 0,475<br /> 5 0,220 0,236 5 0,115 0,123 5 0,374 0,400<br /> 6 0,187 0,201 6 0,087 0,093 6 0,344 0,369<br /> <br /> Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n ë c¸c b¶ng 4 v" 5 cho thÊy, c¸c gi¸ trÞ h»ng sè tèc ®é cña ph¶n øng Kap<br /> ®èi víi mçi mÉu xóc t¸c T, S, P25 ë c¸c thêi ®iÓm ph¶n øng hÇu nh% kh«ng ®æi, cã kh¸c nhau<br /> kh«ng ®¸ng kÓ, v× vËy cã thÓ kÕt luËn r»ng ph¶n øng ph©n huû dung dÞch phenol ®á l" bËc 1 v" gi¶<br /> thiÕt m« h×nh ®éng häc [1] ë trªn l" t%¬ng hîp. Tèc ®é ph¶n øng trªn c¸c xóc t¸c t¨ng dÇn<br /> 62<br /> T T<br /> 1.2 1.4<br /> S S<br /> 1.1<br /> <br /> 1.0<br /> P25 1.2 P25<br /> 0.9 1.0<br /> 0.8<br /> 0.8<br /> 0.7<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> MËt ®é quang<br /> MËt ®é quang<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.6<br /> 0.6<br /> 0.5<br /> <br /> 0.4 0.4<br /> <br /> 0.3<br /> 0.2<br /> 0.2<br /> <br /> 0.1 0.0<br /> 0.0<br /> 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6<br /> Thêi gian ph¶n øng (giê) Thêi gian ph¶n øng (giê)<br /> <br /> <br /> a) b)<br /> H×nh 4: Ho¹t tÝnh quang xóc t¸c víi c¸c mÉu T, S v" P25 chiÕu x¹ UV (a) v" ¸nh s¸ng mÆt trêi (b)<br /> B¶ng 4: KÕt qu¶ tÝnh to¸n lnC v" kap cña ph¶n øng d%íi ¸nh s¸ng UV<br /> <br /> MÉu T MÉu S MÉu P25<br /> Kap, Thêi Kap, Kap,<br /> Thêi gian lnC lnC Thêi gian lnC<br /> h-1 gian h-1 h-1<br /> 1 -9,22 0,167 1 -9,401 0,332 1 -9,456 0,401<br /> 2 -9,383 0,165 2 -9,685 0,308 2 -9,844 0,395<br /> 3 -9,552 0,166 3 -9,984 0,305 3 -10,201 0,382<br /> 4 -9,732 0,169 4 -10,26 0,298 4 -10,637 0,395<br /> 5 -9,873 0,164 5 -0,608 0,307 5 -10,935 0,376<br /> 6 -0,024 0,616 6 10,876 0,301 6 -11,281 0,371<br /> Trung b×nh 0,165 0,309 0,387<br /> <br /> B¶ng 5: KÕt qu¶ tÝnh to¸n lnC v" kap cña ph¶n øng d%íi ¸nh s¸ng m t tr i<br /> <br /> MÉu T MÉu S MÉu P25<br /> Thêi gian lnC Kap, Thêi lnC Kap, Thêi lnC Kap,<br /> h-1 gian h-1 gian h-1<br /> 1 -9,304 0,364 1 -9,428 0,488 1 -9,179 0,245<br /> 2 -9,653 0,356 2 -9,700 0,491 2 -9,454 0,261<br /> 3 -10,017 0,359 3 -10,365 0,475 3 -9,606 0,224<br /> 4 -10,407 0,367 4 -10,742 0,451 4 -9,954 0,255<br /> 5 -10,653 0,342 5 -11,305 0,473 5 -10,126 0,239<br /> 6 -10,814 0,312 6 -11,585 0,441 6 -10,207 0,212<br /> Trung b×nh 0,350 0,470 0,239<br /> <br /> <br /> 63<br /> theo thø tù T
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2