zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Nghiên cứu điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp Lantan và thử hoạt tính quang xúc tác

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp Lantan và thử hoạt tính quang xúc tác trình bày hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời (ASMT) và bức xạ tia cực tím của hạt nanoTiO2 pha tạp La được điều chế bằng phương pháp sol-gel.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp Lantan và thử hoạt tính quang xúc tác

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO TiO2 PHA TẠP LANTAN VÀ THỬ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC TRƯƠNG THỊ THU THẢO - VÕ VĂN TÂN Trường Đại học Sư phạm, Đại Học Huế Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời (ASMT) và bức xạ tia cực tím của hạt nanoTiO2 pha tạp La được điều chế bằng phương pháp sol-gel. Kết quả cho thấy: Chúng tôi đã điều chế thành công vật liệu nano TiO2 pha tạp La các điều kiện như: Tỉ lệ La/TiO2 (mol/mol) là 0,7%; thời gian tạo gel là 3 ngày; nhiệt độ nung là 500oC trong 30 phút. Các hạt này đồng đều và có kích thước trung bình 10-12 nm. Khả năng quang xúc tác của TiO2 pha tạp La tốt hơn so với TiO2 không pha tạp. Sau 40 phút chiếu xạ, mức độ chuyển hóa xanh metylen với khả năng quang xúc tác của TiO2 pha tạp La đạt 45,97% bởi tia cực tím và 67,78% bởi ánh sáng mặt trời. Từ khóa: nano TiO2, TiO2 pha tạp La, quang xúc tác. 1. MỞ ĐẦU Các vật liệu mới có kích thước nanomet được biến tính bởi các ion khác nhau đang thu hút sự quan tâm bởi các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam bởi những ứng dụng vượt trội như: chế tạo các loại sensor, pin mặt trời, vật liệu tự làm sạch, quang xúc tác xử lý môi trường [5], [6]… Nano titan dioxit là một trong những vật liệu cơ bản trong ngành công nghệ này bởi nó có các tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt, có độ bền cao và thân thiện với môi trường [3]. Để tăng cường hiệu suất quang xúc tác của nano TiO2 bằng cách dịch chuyển độ rộng vùng cấm từ vùng tử ngoại tới vùng khả kiến, tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên của mặt trời [4]. Trong các công trình trước đây [1], [2], chúng tôi đã pha tạp một số nguyên tố đất hiếm: Nd, Er vào nano TiO2 thì khả năng quang xúc tác xử lý dung dịch xanh metylen rất tốt bằng ánh sáng mặt trời. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một số kết quả về việc nghiên cứu điều chế nano TiO2 pha tạp bởi một nguyên tố đất hiếm thông dụng và rẻ tiền là La bằng phương pháp sol-gel và thử so sánh hoạt tính quang xúc tác của nó dưới ánh sáng mặt trời và bức xạ tử ngoại. 2. THỰC NGHIỆM Các hóa chất sử dụng: Tetra-n-butylorthotitanat TBOT; La2O3 (Merck 99,9%), HNO3 (PA); C2H5OH tuyệt đối; CH3COOH (PA); Xanh metylen (MB); DTPA 10-2M; Asenazo(III). Cho từ từ C2H5OH vào tetra-n-butylorthotitanat. Sau đó thêm dung dịch CH3COOH vào hỗn hợp vừa thu được, vừa cho vừa khuấy đều trên máy khuấy từ gia nhiệt với tỉ lệ số mol các chất trong khoảng: nTBOT : nCH3COOH: nC2H5OH = 1:6:10. Tiếp tục cho thêm nước cất (nếu không pha tạp La) hoặc dung dịch La(NO3)3 có nồng độ xác định với tỉ lệ số mol xác định. Hỗn hợp thu được, tiếp tục khuấy trên máy khuấy từ gia nhiệt ở nhiệt độ thích hợp trong khoảng thời gian 2 giờ để thu gel trong suốt. Làm già gel sau khoảng một thời gian rồi sấy khô gel thu được ở 80oC. Nung gel thu được trong 2 giờ để thu nhận nano TiO2 hoặc nano TiO2 pha tạp La. Cho 20 mg nano TiO2 pha tạp La đã điều chế vào cốc đựng 20ml dung dịch MB với các tỷ lệ pha tạp của La là 0,3; 0,5; 0,7; 0,9 % (mol). Rồi thực hiện phản ứng quang hóa, phân hủy MB 282
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 của nano TiO2 pha tạp La dưới ASMT và bức xạ UV ở bước sóng λ = 254 nm, công suất 20 W trong khoảng thời gian từ 10 đến 40 phút. Sau đó ly tâm để tách loại xúc tác nano TiO2 pha tạp La. Độ chuyển hóa MB theo thời gian bằng ASMT và bức xạ UV được xác định bằng phương pháp UV-vis tại λ = 663 nm và tính theo công thức: Ao  A Độ chuyển hóa MB(%)= ×100% Ao Trong đó: - Ao: Mật độ quang ban đầu của MB; - A: Mật độ quang của MB sau khi thực hiện các phản ứng quang xúc tác của nano TiO2 pha tạp La. Phổ UV-vis được ghi trên máy Jasco, model V350, Nhật Bản tại khoa Hóa học, Trường Đại Học Sư Phạm, Đại học Huế; Phân tích nhiệt được ghi trên máy LabSys TG/DSC 1600(DETARAM) Pháp; ảnh SEM được chụp trên máy Nova NanoSem FEI450, hãng FEI, Mỹ; phổ nhiễu xạ tia X(XRD) của các loại nano TiO2 được ghi trên máy D8 advance, Bruker, Đức tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam; Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, có thể tính được kích thước trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Scherrer: 0, 89 D=  cos  Trong đó: - D là kích thước hạt trung bình (nm); -  là bước sóng bức xạ Kα của anot Cu bằng 0,15406 nm; - β là độ rộng tại nửa độ cao của pic cực đại (FWHM) (radian); - là góc nhiễu xạ ứng với pic cực đại (độ). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung gel TiO2 pha tạp La Trong quá trình nghiên cứu điều chế, gel TiO2 pha tạp La được phân tích nhiệt để khảo sát các khoảng nhiệt độ chuyển pha của quá trình hình thành vật liệu nano TiO2 pha tạp La. Kết quả phân tích nhiệt được trình bày ở hình 1. Trên giản đồ phân tích nhiệt ở hình 1, có thể thấy: Khi nâng nhiệt đến 100,38oC khối lượng gel giảm 16,76% ứng với hiệu ứng thu nhiệt nhẹ là do mất nước kết tinh, đến nhệt độ 369,66oC khối lượng gel vật liệu giảm 18,157% kèm theo hiệu ứng tỏa nhiệt mạnh ứng với giai đoạn cháy gel, từ nhiệt độ 369,66oC trở đi, khối lượng gel giảm rất ít ứng với quá trình phân hủy các chất vô cơ. Trên 400oC hầu như không có hiệu ứng nào đáng kể, mẫu ổn định về khối lượng và hình thành vật liệu nano TiO2.Vì vậy, các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến pha TiO2 pha tạp La được thay đổi khảo sát từ 400oC đến 700oC. Kết quả chụp XRD và SEM của các mẫu sản phẩm trình bày trên hình 2 và 3. 283
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 Hình 1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA và TGA của mẫu gel vật liệu Góc nhiễu xạ (0) Hình 2. Giản đồ XRD của nano TiO2-La nung ở các nhiệt độ khác nhau Quan sát phổ XRD của các mẫu nano TiO2 pha tạp La được nung ở nhiệt độ 400oC, 500oC, 600oC, 700oC, có thể thấy các pic nhiễu xạ đặc trưng của TiO2 là pha anatas và nhiệt độ nung ảnh hưởng rất lớn đến sự pha tạp La vào mạng tinh thể TiO2. Dựa vào giá trị FWHM (radian) và góc nhiễu xạ ứng với pic cực đại (độ), ta tính được kích thước trung bình của nano TiO2-La. Kết quả 284
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 tính toán cho thấy nano TiO2-La có kích thước nhỏ nhất là (9,65 nm), khi nung ở nhiệt độ 500oC. Vì ở nhiệt độ này chất pha tạp ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành tinh thể do tạo liên kết LaOTi làm kích thước hạt giảm, đồng đều hơn so với khi nung ở các nhiệt độ khác như trong ảnh SEM ở hình 3. Quan sát ảnh SEM ở hình 3, có thể thấy: khi nung ở 500oC và 600oC kích thước hạt nano TiO2-La khá nhỏ và đồng đều hơn so với khi nung ở 700oC và 800oC, điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả trong phổ XRD ở hình 2. Hình 3: Ảnh SEM của nanoTiO2-Lanung ở các nhiệt độ: H01(400oC), H02(500oC), H03(600oC), H04(700oC) 3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ pha tạp La/TiO2 đến khả năng quang xúc tác của vật liệu Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ pha tạp La/TiO2 (mol/mol) là 0,3%, 0,5%, 0,7%, 0,9 %; được tiến hành trong điều kiện như trên và nung ở 500oC. Kết quả khảo sát mật độ quang của MB khi có mặt nano TiO2 pha tạp các tỉ lệ mol La dưới ánh sáng mặt trời sau 10 phút, được trình bày trên hình 4. 2,0 1,5 Mật độ quang (Abs) 1,0 0,5 0,0 -0,5 Bước sóng (nm) Hình 4: Phổ UV-VIS của MB ban đầu (1) và sau khi chiếu bằng ánh sáng mặt trời của nano TiO2 pha tạp các tỉ lệ mol La 0,3% (2); La 0.5% (3); La 0,7% (5); La 0,9% (4) 285
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 Quan sát hình 4, có thể thấy: Khi chiếu ánh sáng mặt trời lên dung dịch MB chứa nano TiO2 pha tạp các tỉ lệ mol La từ 0,3% đến 0,9% (mol/mol), sau 10 phút, mật độ quang của MB giảm phụ thuộc vào tỉ lệ pha tạp. Khi tỉ lệ pha tạp La/TiO2 là 0,7% (mol/mol) thì cho kết quả tốt nhất. 3.3 Ảnh hưởng của thời gian làm già gel đến vật liệu Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian làm già gel đến vật liệu nano TiO2 pha tạp La được tiến hành trong các điều kiện tương tự như trên, tỉ lệ pha tạp La/TiO2 là 0,7% (mol/mol). Thời gian làm già gel từ 1 đến 4 ngày. Phổ XRD của các mẫu TiO2 pha tạp La với thời gian làm già gel từ 1 đến 4 ngày được trình bày ở hình 5. Cường độ nhiễu xạ (Cps) o Góc nhiễu xạ ( ) Hình 5: Gỉản đồ XRD của nano TiO2-La với thời gian làm già gel từ 1 đến 4 ngày Quan sát giản đồ XRD trên hình 5, có thể thấy, thời gian làm già gel từ 1 đến 4 ngày ảnh hưởng đến cấu trúc nano TiO2 pha tạp La. Ở thời gian 3 ngày quá trình kết tụ xảy ra ổn định nhất và sự hình thành tinh thể tốt nhất, kích thước hạt nano TiO2-La khoảng 10-12 nm và đồng đều như trong ảnh TEM của nano TiO2-La trình bày trên hình 6. Hình 6: Ảnh TEM của nanoTiO2 pha tạp 0,7%molLa với thời gian làm già gel trong 3 ngày và nungở 500oC 286
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 3.5. Khả năng quang xúc tác của nanoTiO2 pha tạp La Mật độ quang của MB khi có xúc tác nano TiO2 pha tạp La dưới tác dụng của bức xạ UV và ánh sáng mặt trời được trình bày trên hình 7. 2,0 2,0 Mật độ quang (Abs) 1,5 1,5 Mật độ quang (Abs) 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0 Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) (7A)(7B) Hình 7: Phổ UV-vis của MB ban đầu và sau khi chiếu UV (7A) và ánh sáng mặt trời (7B). Từ hình 7, có thể thấy: Khi chiếu bức xạ UV (7A) lên dung dịch MB chứa xúc tác nano TiO2 pha tạp La thì mật độ quang của MB giảm sau 10 phút và độ chuyển hóa của MB đạt 18,93%. Khi tăng thời gian chiếu xạ, mật độ quang của dung dịch càng giảm, mẫu chiếu xạ khi đạt 40 phút thì độ chuyển hóa của MB đạt 45,97%. Nhưng khi chiếu bằng ánh sáng mặt trời (7B), sau 10 phút,mật độ quang của MB giảm mạnh hơn và độ chuyển hóa của MB đạt 20,14%, nếu tăng thời gian chiếu bằng ánh sáng mặt trời thì mật độ quang của MB càng giảm. Khi chiếu bằng ánh sáng mặt trời trong 40 phút thì độ chuyển hóa của MB đạt 67,32%. Chứng tỏ nano TiO2 pha tạp La có hoạt tính xúc tác tốt dưới ánh sáng mặt trời hơn là UV. 3.6. So sánh khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp La và vật liệu nanoTiO2 không pha tạp Để đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp và không pha tạp La, chúng tôi tiến hành thí nghiệm trong các điều kiện như nhau. Mật độ quang và độ chuyển hóa MB của hai vật liệu này được trình bày trên hình 8 và hình 9. Từ hình 8, có thể thấy sau khi chiếu ánh sáng mặt trời hoặc UV trong 10 phút thì mật độ quang của các dung dịch MB giảm rõ rệt, theo thứ tự: TiO2-La (ASMT) > TiO2-La (UV) > TiO2 (UV) > TiO2 (ASMT). Điều này có nghĩa là khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp La tốt hơn vật liệu nano TiO2 không pha tạp và khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp La khi chiếu bằng ánh sáng mặt trời là tốt hơn so với khi chiếu bằng tia tử ngoại, do khi pha tạp La đã làm giảm năng lượng vùng cấm từ vùng tử ngoại về vùng ánh sáng khả kiến như trong hình 9. 287
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 2,5 2,0 1,5 Mật độ quang (Abs) 1,0 0,5 0,0 400 500 600 700 800 Hình 8: Phổ UV-VIS của MB với xúc tác vật liệu nano TiO2 pha tạp La và không pha tạp La với tác dụng của ánh sáng mặt trời và bức xạ UV 80 2,0 1,8 60 1,6 Mật độ quang (Abs10 ) -2 1,4 40 Độ chuyển hóa (%) 1,2 1,0 20 0,8 0 0,6 -10 0 10 20 30 40 50 Thời gian (phút) Hình 9: Mật độ quang (1,3) và độ chuyển hóa MB (2,4) khi có xúc tác nano TiO2 pha tạp La dưới tác dụng ánh sáng mặt trời và bức xạ UV theo thời gian Từ hình 9, có thể thấy trong khoảng thời gian 40 phút, khả năng quang xúc tác của nano TiO2 pha tạp La dưới tác dụng của UV cho độ chuyển hóa của MB đạt 45,97%; còn dưới ánh sáng mặt trời, độ chuyển hóa của MB đạt 67,32%. Như vậy, dưới ánh sáng mặt trời, khả năng quang xúc tác của nano TiO2 pha tạp La để xử lý MB là tốt hơn bức xạ UV nhưng yếu hơn chút 288
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC TRẺ 2016 11/2016 ít so với xúc tác nano TiO2 pha tạp Nd (76,84%) [1] và yếu hơn nhiều so với xúc tác nano TiO2 pha tạp Er (92,3%) [2] là do bản chất của chất pha tạp La3+ có cấu hình điện tử [Xe]4f0 còn Er3+ và Nd3+ lần lượt là [Xe]4f6 và [Xe]4f3. 4. KẾT LUẬN - Đã điều chế thành công vật liệu nano TiO2 pha tạp La và không pha tạp bằng phương pháp sol-gel trong các điều kiện: tỉ lệ (mol/mol) tetra-n-butylorthotitanat:CH3COOH:C2H5OH = 1:6:10. Tỉ lệ pha tạp La/TiO2= 0,7% (mol/mol), thời gian làm già gel là 3 ngày, nhiệt độ nung là 500oC trong 30 phút. - Đã xác định đặc trưng của nanoTiO2 pha tạp La điều chế được bằng các phương pháp phân tích nhiệt, XRD, SEM, TEM; vật liệu nano TiO2 pha tạp La có kích thước đồng đều trong khoảng 10-12nm. - Đã khảo sát khả năng quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp La và vật liệu không pha tạp La dưới tác dụng của bức xạ UV và ánh sáng mặt trời. Vật liệu TiO2 pha tạp La có khả năng quang xúc tác trong 40 phút dưới tác dụng ánh sáng mặt trời với độ chuyển hóa xanh metylen 67,78% là tốt hơn so với UV có độ chuyển hóa 45,97%. - So với vật liệu nano TiO2 khi pha tạp nguyên tố đất hiếm: Er; Nd thì khả năng quang xúc tác xử lý xanh metylen có cao hơn chút ít so với vật liệu nano TiO2 pha tạp La. Nhưng La là nguyên tố đất hiếm phổ biến trên thị trường và có giá thành rẻ hơn Er, Nd… nên vật liệu nano TiO2 pha tạp La có hiệu quả kinh tế hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Tân, Trần Thị Lệ Huyền (2015), Nghiên cứu điều chế và thử hoạt tính quang xúc tác TiO2 pha tạp neodym, Tạp chí hóa học, Tr.53(3E12), tr.270-274. [2] Võ Văn Tân, Võ Quang Mai, Nguyễn Tấn Phước (2013), Nghiên cứu điều chế và thử hoạt tính quang xúc tác TiO2 pha tạp Er. Tạp chí Đại học Sài Gòn, 14, tr. 88-98. [3] Nguyễn Thị Thu Trang, Lê Phương Thu, Nguyễn Văn Dũng (2010), Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hóa TiO2 kích thước nanomet từ sa khoáng ilmenit bằng phương pháp sol- gel, Tạp chí Hóa học, 48(4A), tr.297-302. [4] Nguyễn Văn Hưng, Ngô Sĩ Lương (2011), Ảnh hưởng của Y3+ đến cấu trúc tinh thể và tính chất quang xúc tác của bột Y- TiO2 kích thước nanomet điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt, Tạp chí Hóa học, 49(3A), Tr. 337-342. [5] Chen X, Mao S (2007), Titanium dioxide nanomaterials synthesis properties, modification and application, Chem. Rev, 107, p.2891-2959. [6] Jimmy Yu, LiZhi, JiaguoYu (2002), Rapid synthesis of mesoporous TiO2 with high photocatalytic activity by ultrasound induced agglomeration, New Journal Chemistry, 26, pp.416-420. Title: PREPARATION, CHARACTERIZATION, AND PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF LANTHANIUM- DOPED TIO2 NANOPARTICLES Abstract: In this study, we report photocatalytic activity under visible light irradiation and ultraviolet radiation of lanthanum-doped TiO2 nanoparticles prepared by method sol-gel. The results showed that, we have successfully prepared lanthanum-doped TiO2 material at conditions such as La/TiO2(mol/mol) is 0.7% the gelling time is three days, the calcination temperature is 500oC in 30 minutes. The particles are well uniform and the average size from 10 to 12 nm. The catalytic ability of lanthanum-doped TiO2 is 289
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC HUẾ CYS 2016 better than undoped TiO2. After 40 minutes of irradiation, the conversion degree of methylene blue lanthanum-doped TiO2 solution reached 45.97% by ultraviolet radiation and 67.78 % by visible light. Keywords: TiO2 nano, lanthanum-doped TiO2, photocatalysis. TRƯƠNG THỊ THU THẢO Trường THPT Thuận Hóa, Trường Đại Học Sư phạm, Đại Học Huế. Email: Thuthao1014@gmail.com 290

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.