Luận văn thạc sĩ khoa học-2011 Lý Thanh Loan – K20
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------
LÝ THANH LOAN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU TRÚC, HOẠT
TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT TITAN ĐIOXIT KÍCH
THƯỚC NANO ĐƯỢC BIẾN TÍNH URE
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
Hà Nội - 2011
MỤC LỤC
Luận văn thạc sĩ khoa học-2011 Lý Thanh Loan – K20
2
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIÔXIT 3
1.1.1. Cấu trúc của titan đioxit 3
1.1.2. Tính chất hóa học của titan đioxit 5
1.1.3. Các ứng dụng của vật liệu titan đioxit 6
1.2. GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIÔXIT KÍCH THƯỚC NANOMET BIẾN
TÍNH
1.2.1. Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất và ứng dụng của TiO2 kích thước
nanomet
1.2.2. Các kiểu titan đioxit biến tính
1.2.3. Tổng hợp vật liệu TiO
2
biến tính
6
6
14
14
1.3. GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIÔXIT BIẾN TÍNH NITƠ
1.3.1. Titan đioxit biến tính nitơ – Cấu trúc và tính chất.
19
19
1.3.2. Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nm được biến tính nitơ
1.3.2.1. Phương pháp sol-gel
1.3.2..2. Phương pháp đồng kết tủa
1.3.2.3. Phương pháp phản ứng pha rắn
1.3.2.4. Phương pháp thủy phân
1.3.2.5. Phương pháp thủy nhiệt
1.3.2.6. Phương pháp nghiền
1.3.2.7. Phương pháp tẩm
1.3.2.8. Phương pháp nhiệt phân phun
21
21
24
25
27
28
30
31
32
1.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC
NANOMET BIẾN TÍNH NITƠ TỪ CHẤT ĐẦU URÊ
32
CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM
2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN
2.1.1. Mục tiêu luận văn
2.1.2. Nội dung làm thực nghiệm luận văn
37
37
37
37
Luận văn thạc sĩ khoa học-2011 Lý Thanh Loan – K20
3
2.2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 37
2.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.3.1 Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan điôxit kích thước nanomet
biến tính nitơ theo phương pháp thuỷ phân từ chất đầu là TiCl4 với sự có
mặt của urê.
2.3.2. Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan điôxit kích thước nanomet
biến tính nitơ theo phương pháp phân hủy nhiệt từ chất đầu là TiCl4 và
urê.
38
38
40
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
2.4.1. Phương pháp XRD
2.4.2. Phổ tán xạ tia X (EDX)
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
2.4.5. Phương pháp phân tích nhiệt
2.4.6. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit
2.4.7. Phương pháp tính hiệu suất quá trình điều chế
41
41
44
44
45
46
47
50
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt, cấu trúc tinh
thể và khả năng quang xúc tác của bột TiO2-N điều chế từ chất đầu TiCl4 và
ure theo phương pháp ướt
3.1.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế
51
51
51
3.1.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 51
3.1.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 54
3.1.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần dung dịch khi thủy phân 56
3.1.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 62
3.1.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân 64
3.1.1.6. Tổng hợp các điều kiện tối ưu của các giai đoạn của quá trình
điều chế TiO2-N có kích thước nano mét từ chất đầu là TiCl4 và ure theo
phương pháp thủy phân dung dịch.
66
Luận văn thạc sĩ khoa học-2011 Lý Thanh Loan – K20
4
3.1.2. Xây dựng quy trình điều chế TiO2 biến tính nitơ có kích thước nano
met quy mô phòng thí nghiệm từ chất đầu TiCl4 và ure theo phương
pháp thủy phân dung dịch.
67
3.1.2.1. Qui trình điều chế 67
3.1.2.2. Thuyết minh qui trình điều chế 68
3.1.2.3. Thực hiện qui trình điều chế trong qui mô phòng thí nghiệm 68
3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt, cấu trúc tinh
thể và khả năng quang xúc tác của bột TiO2–N điều chế từ chất đầu TiCl4 và
ure theo phương pháp phân hủy nhiệt (phản ứng ở pha rắn).
3.2.1. Điều chế bột TiO2 theo phương pháp thủy phân trong dung dịch
71
71
3.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
3.2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
72
72
3.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 75
3.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng urê/ TiO2 76
3.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền 78
3.2.2.5. Tổng hợp các điều kiện tối ưu của các giai đoạn của quá trình
điều chế TiO2 dạng bột kích thước nanomet được biến tính bằng ure theo
phương pháp phân hủy nhiệt.
80
3.2.3. Xây dựng quy trình điều chế TiO2 biến tính nitơ có kích thước nano
met quy mô phòng thí nghiệm từ chất đầu TiCl4 và ure theo phương
pháp phản ứng ở pha rắn.
81
3.2.3.1. Qui trình điều chế 82
3.2.3.2. Thuyết minh qui trình điều chế 83
3.2.3.3. Thực hiện qui trình điều chế trong qui mô phòng thí nghiệm 84
KẾT LUẬN 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
PHỤ LỤC 92
Luận văn thạc sĩ khoa học-2011 Lý Thanh Loan – K20
5
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
A. DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase………………………4
Bảng 1.2. Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm…………………………7
Bảng 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung..............................................................53
Bảng 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung.............................................................55
Bảng 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4........................................................58
Bảng 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ure.................................................................61
Bảng 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân.....................................................63
Bảng 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân.....................................................65
Bảng 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung...............................................................73
Bảng 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung..............................................................75
Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ ure/ TiO2............................................................77
Bảng 3.10. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền.........................................................79
B. DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2……………………………………4
Hình 1.2: Hình khối bát diện của TiO2……………………………………………………5
Hình 1.3. (A) Mật độ trạng thái (DOS) tổng cộng và mật độ trạng thái thành phần của TiO2
anatase. (B) Cấu trúc liên kết obitan phân tử của TiO2 anatase........................................8
Hình 1.4. Cơ chế chuyển điện tích quang phát sinh của vật liệu bán dẫn...........................10
Hình 1.5: Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 kích thước nano mét…….....11
Hình 1.6. Lượng TiO2 kích thước nm sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác.12
Hình 1.7. Giản đồ mật độ trạng thái điện tử và cấu trúc dải năng lượng của anatase:
a. Không biến tính N; b. Có biến tính N..........................................................................20
Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả qui trình điều chế bột titan đioxit kích thước nano mét biến tính
N theo phương pháp thủy phân dung dịch từ TiCl4 có mặt urê......................................39
Hình 2.2. Sơ đồ khối mô tả qui trình thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thước nm
biến tính N theo phương phản ứng ở pha rắn từ chất đầu là TiCl4 và urê......................40
Hình 2.3. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể...........................................................................42
