zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

3
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong báo cáo "Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO", vật liệu nanocomposite ZnO – CuO được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các tính chất của vật liệu composite đã được khảo sát thông qua các phép đo: nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis, phổ FTIR, hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO

KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr (VI) CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE ZnO – CuO Nguyễn Thị Hương, Lớp K60TN, Khoa Vật lí GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Nguyễn Đăng Phú Tóm tắt: Nano ZnO là bán dẫn vùng cấm rộng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tổ hợp ZnO – CuO được nghiên cứu nhằm làm giảm độ rộng vùng cấm của vật liệu để ứng dụng cho những nghiên cứu trong vùng bức xạ khả kiến. Trong báo cáo này, vật liệu nanocomposite ZnO – CuO được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các tính chất của vật liệu composite đã được khảo sát thông qua các phép đo: nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis, phổ FTIR, hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM). Các kết quả nghiên cứu trên đã chứng tỏ vật liệu được composite từ hai pha hexagonal của ZnO và monoclinic của CuO. Hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) bước đầu được nghiên cứu. Kết quả đo cho thấy phản ứng quang xúc tác làm mất màu xanh metylen dưới bức xạ của đèn Xe mạnh hơn so với ZnO hoặc CuO tinh khiết. Vật liệu nanocomposite ZnO – CuO đã làm giảm nồng độ ion Cr(VI) từ 10 mg/l xuống 0,1 mg/l. Các kết quả trên cho thấy vật liệu nanocomposite ZnO-CuO có nhiều triển vọng ứng dụng trong xử lí nước ô nhiễm chất hữu cơ và kim loại nặng. Từ khóa: Bán dẫn hai thành phần, ZnO – CuO, quang xúc tác, hấp phụ Cr(VI). I. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các oxit bán dẫn trong quá trình oxi hoá các hợp chất hữu cơ và chất màu nhờ quá trình quang xúc tác đã nhận đƣợc sự quan tâm nghiên cứu bởi hiệu suất quang xúc tác cao, giá thành thấp và thân thiện với môi trƣờng. ZnO là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AIIBIV có độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37 eV), chuyển mức điện tử thẳng cho hiệu suất lƣợng tử cao, exciton tự do có năng lƣợng liên kết lớn (60 meV) và là chất quang xúc tác mạnh, có thể dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại và diệt khuẩn trong môi trƣờng nƣớc và không khí [4, 11, 12]. Nhƣng việc ứng dụng ZnO trong xử lí môi trƣờng còn hạn chế do khả năng quang xúc tác chỉ xảy ra dƣới bức xạ tử ngoại [1], mà bức xạ này chỉ chiếm từ 4 đến 5% trong bức xạ Mặt Trời. Đã có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích tăng khả năng quang xúc tác của ZnO trong vùng ánh sáng khả kiến nhƣ: Thay đổi kích thƣớc hạt, thay đổi bề mặt [8, 9], tổ hợp với bán dẫn khác để làm giảm độ rộng vùng cấm hiệu dụng của vật liệu. Một số nghiên cứu tổ hợp ZnO với SnO2, Fe2O3, WO3, CdS, ZnS,… trong đó có CuO [5, 6, 7] đã phát hiện bề rộng vùng cấm hiệu dụng của vật liệu tổ hợp giảm, không xuất hiện các tâm tán xạ và kết quả hoạt động quang xúc tác hiệu quả hơn. CuO là vật liệu bán dẫn loại p đƣợc quan tâm chú ý do có vùng cấm hẹp (Eg=1,2 eV), khi tổ hợp với ZnO tạo ra lớp chuyển tiếp dị thể p-n [3, 6]. Lớp chuyển tiếp dị thể p- n của vật liệu composite ZnO – CuO tạo điều kiện cho các quá trình truyền hạt dẫn giữa hai chất bán dẫn, dẫn đến độ rộng vùng cấm hiệu dụng giảm [2, 10]. Một trong các ứng dụng quan trọng của vật liệu composite ZnO – CuO là tác dụng phân hủy chất hữu cơ nhờ hoạt tính quang xúc tác. Trong phòng thí nghiệm, hoạt tính quang xúc tác thƣờng 46
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 đƣợc nghiên cứu bằng tác dụng khử màu xanh metylen bằng kích thích của bức xạ đèn Xenon. Trong báo cáo này, nanocomposite ZnO – CuO đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các phƣơng pháp nghiên cứu XRD, HRTEM, SEM đã xác định mẫu chế tạo là tổ hợp của hai pha ZnO và CuO. Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ mẫu nanocomposite ZnO – CuO chế tạo đƣợc có khả năng quang xúc tác khử màu xanh metylen và hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) hiệu quả hơn so với ZnO và CuO. II. NỘI DUNG 1. Thực nghiệm 1.1. Chế tạo mẫu ZnO – CuO composite Hòa tan NaOH và hỗn hợp ZnCl2 và CuSO4 trong nƣớc cất. Khuấy từ hỗn hợp dung dịch ZnCl2 và CuSO4 ở nhiệt độ phòng. Trong 2-5 phút đầu, nhỏ từ từ dung dịch NaOH vào hỗn hợp dung dịch trên. Cho dung dịch vào bình thủy nhiệt, sau đó dung dịch đƣợc ủ trong bình thủy nhiệt: nhiệt độ 80-850C trong 3-4 giờ. Sau đó, tiếp tục ủ ở nhiệt độ 95-1000C trong 15 giờ. Để nhiệt độ của mẫu giảm tự nhiên về nhiệt độ phòng, sau đó quay li tâm dung dịch để tách kết tủa. Tiếp tục rung siêu âm và quay li tâm khoảng 5-6 lần. Mẫu đƣợc sấy ở 800C trong 5 giờ, sau đó đƣợc nghiền nhỏ thành bột, ta thu đƣợc composite ZnO – CuO. Mẫu đƣợc chế tạo với những tỉ lệ thành phần ZnO – CuO khác nhau: 20-1, 30-1, 40-1, 50-1, 60-1. 1.2. Khảo sát quang xúc tác ZnO – CuO Cân 30 mg ZnO – CuO cho vào 50 mL nƣớc cất. Rung siêu âm 30 phút. Cho 50 mL dung dịch MB 100 ppm vào 50 mL dung dịch ZnO – CuO. Mẫu đƣợc chiếu xạ bằng đèn Xe, sau mỗi khoảng thời gian 10, 30, 60, 90, 120, 150, 180 phút lấy ra 8 mL dung dịch. Dung dịch đƣợc quay li tâm để tách kết tủa trƣớc khi đo hấp thụ. 1.3. Khảo sát hấp phụ Cr (VI) Cân 100 mg ZnO – CuO cho vào 50 mL nƣớc cất. Rung siêu âm 20 phút. Cho 50 mL dung dịch K2Cr2O7 100 ppm vào 50 mL dung dịch ZnO – CuO. Khuấy đều dung dịch, sau mỗi khoảng thời gian 10, 20, 30, 40, 50, 60 phút lấy ra 10 mL dung dịch. Dung dịch đƣợc quay li tâm để tách kết tủa trƣớc khi đo hấp thụ. 2. Kết quả và thảo luận 2.1. Khảo sát cấu trúc 2.1.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) Giản đồ nhiễu xạ tia X của composite ZnO – CuO với các tỉ lệ Cu2+ khác nhau (Hình 1) cho thấy ngoài các đỉnh của ZnO, chỉ ở mẫu có tỉ lệ CuO lớn (ZnO – CuO 20-1, ZnO – CuO 30-1) mới xuất hiện thêm các đỉnh của CuO tại các vị trí là 35,50( 11, 002), 3,.80 (111, 200). 47
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Đối chiếu với thẻ chuẩn PDF#41-0254 (CuO), PDF#36-1451 (ZnO) ta thấy trong các mẫu có hai pha tinh thể CuO cấu trúc đơn tà và ZnO cấu trúc lục giác wurtzite, không xuất hiện pha lạ. Hai pha của ZnO và CuO tồn tại đồng thời chứng tỏ mẫu là vật liệu tổ hợp chứ không phải là sự thay thế CuO vào ZnO. Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của composite ZnO – CuO Hằng số mạng tính toán dựa vào giản đồ nhiễu xạ phù hợp với giá trị của thẻ chuẩn: a (A0) b (A0) c (A0) ZnO 3,2489  0,0004 3,2489  0,0004 5,0255  0,0005 CuO 4,6380  0,0003 3,4187  0,0002 5,0533  0,0003 Giá trị kích thƣớc hạt tinh thể trung bình đƣợc tính theo biểu thức Sherrer của ZnO và CuO tƣơng ứng khoảng 19,3 nm và 14,6 nm. 2.1.2. Kết quả đo hiển vi điện tử Hình 2. Ảnh FE-SEM các mẫu CuO (a), ZnO (b) và ZnO-CuO(20-1) (c) Ảnh FE-SEM (hình 2) cho thấy ZnO dạng chủ yếu là các phiến mỏng trong khi đó CuO lại có dạng hình lá. Vật liệu đƣợc tổ hợp ZnO – CuO có hình dạng thay đổi hoàn toàn, khác với ZnO và CuO, đó là hình hoa. Việc tổ hợp không phải làm thay đổi hình dạng của mẫu từ ZnO thành CuO mà đã có sự thay đổi hoàn toàn. Chứng tỏ ZnO và CuO gắn kết với 48
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 nhau thể hiện đây là vật liệu composite ZnO – CuO và hai loại bán dẫn khác loại này có sự quan hệ tƣơng hỗ với nhau. Hình 3. Ảnh HRTEM và EDS của mẫu ZnO – CuO (20-1) Để phân tích sâu hơn về cấu trúc, vật liệu đã đƣợc chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao. Hình 3a cho thấy vật liệu tổ hợp đƣợc cấu trúc từ các thanh sắp xếp vào nhau. Phân tích một vùng hẹp của mẫu trên hình 3b, 3c có thể quan sát thấy tập hợp CuO bám trên các thanh ZnO. Kết hợp TEM với phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDS) trình bày trên hình 3d, 3e và 3f biểu thị nồng độ thành phần của CuO và ZnO. Chiều dài của đƣờng quét vào khoảng 80 nm. Tại điểm bắt đầu nồng độ CuO vào khoảng 90 của đơn vị đo, ZnO thấp hơn một chút vào khoảng 80 và cả hai thành phần cùng giảm dần khi đƣờng quét phân tích kéo dài. Tại vị trí 40 nm, nồng độ ZnO gần nhƣ bằng không, nồng độ CuO vào khoảng 10 và giảm dần cho đến tận vị trí 80 nm. Hình 3 cho thấy tại các điểm trong mẫu hai thành phần phân bố trộn lẫn vào nhau hình thành composite ZnO – CuO. 2.2. Định hướng xử lí môi trường 2.2.1. Quang xúc tác Các mẫu composite ZnO – CuO chế tạo ở các tỉ lệ khác nhau đƣợc khảo sát hiệu ứng quang xúc tác với dung dịch xanh metylen dƣới sự chiếu xạ của đèn Xenon. Kết quả cho thấy, mẫu chế tạo có khả năng quang xúc tác tốt hơn so với các mẫu chế tạo bằng các phƣơng pháp khác. 49
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Phổ hấp thụ của MB thể hiện tác dụng quang xúc tác của composite ZnO – CuO (20-1) dƣới ánh sáng đèn Xenon đƣợc trình bày trên hình. Độ hấp thụ của MB giảm nhanh theo thời gian tiến hành quang xúc tác, sau 180 phút đỉnh phổ hấp thụ gần nhƣ biến mất tƣơng ứng với việc MB gần nhƣ bị phân hủy hoàn toàn. Sau thời gian 120 phút chiếu xạ bằng đèn Xenon, dung dịch MB bị phân hủy hoàn toàn khi đƣợc xử lí bằng mẫu ZnO – CuO (20-1). Đối với các chất quang xúc tác ZnO và ZnO – CuO (30-1) nồng độ của dung dịch MB giảm tƣơng ứng 67%, 73% so với nồng độ ban đầu. Mẫu CuO có khả năng quang xúc tác kém. Kết quả này chứng tỏ vật liệu ZnO – CuO là chất quang xúc tác tốt. Hình 4(a). Khảo sát quang xúc tác của mẫu ZnO-CuO (20-1). (b) Sự giảm nồng độ của dung dịch MB khi xử lí bằng các mẫu ZnO, CuO và ZnO – CuO với các tỉ lệ khác nhau 2.2.2. Hấp phụ Cr(VI) Các mẫu ZnO, CuO và ZnO – CuO với tỉ lệ khác nhau đƣợc dùng làm chất hấp phụ để khảo sát khả năng hấp phụ tối đa kim loại nặng Cr(VI) trong dung dịch K2Cr2O7 với nồng độ ban đầu là 10 mg/L trong 10 giờ. Hàm lƣợng hấp phụ Cr(VI) đƣợc trình bày trong bảng 1, đƣợc tính toán từ các kết quả đo hấp thụ nguyên tử Cr(VI) (máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS – Khoa Hóa học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội). Bảng 1. Lượng hấp phụ Cr(VI) của ZnO, CuO và ZnO – CuO ZnO CuO 10:1 20:1 30:1 -1 Hàm lƣợng hấp phụ (mg.g ) 3,88 2,15 4,56 4,97 4,01 ZnO – CuO có khả năng hấp phụ Cr(VI) từ 4,01 đến 4,97 mg.g-1 cao hơn so với ZnO (3,88 mg.g-1) hoặc CuO (2,15 mg.g-1). 50
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Hình 5. Khảo sát sự hấp phụ Cr(VI) của Hình 6. Khảo sát sự hấp phụ Cr(VI) của mẫu ZnO – CuO (20-1): không chiếu đèn mẫu ZnO – CuO (20-1) theo pH Xe (a) và chiếu đèn Xe (b) Hình 5 cho thấy ZnO – CuO (20-1) khi đƣợc chiếu xạ đèn Xenon trong 60 phút thì tốc độ hấp phụ Cr(VI) của vật liệu tăng lên gấp 2 lần so với khi không chiếu xạ. Ảnh hƣởng của quang xúc tác đến quá trình hấp phụ Cr đƣợc trình bày ở [10]. Ảnh hƣởng của độ pH lên khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu đƣợc trình bày trên hình 6. Sau thời gian 60 phút, mẫu đƣợc xử lí với độ pH bằng 7 thì hàm lƣợng hấp phụ chƣa đạt bão hòa và tiếp tục tăng lên. Khi tăng độ pH của dung dịch từ 7 lên 9 thì hàm lƣợng Cr(VI) đã đƣợc hấp phụ tối đa (4,95 mg.g-1) sau 40 phút. Khi độ pH tăng cao hơn nữa thì độ hấp phụ cũng không đƣợc cải thiện. Kết quả cho thấy độ pH bằng 9 là tối ƣu cho quá trình hấp phụ Cr(VI) của vật liệu. Nhƣ vậy, dùng ZnO – CuO để hấp thụ Cr(VI) và các kim loại nặng khác trong nƣớc là giải pháp đầy hứa hẹn. III. KẾT LUẬN Vật liệu nanocomposite ZnO – CuO đã đƣợc chế tạo thành công bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Vật liệu nanocomposite ZnO – CuO có hiệu quả phân hủy MB bằng quang xúc tác dƣới bức xạ ánh sáng đèn Xe. Khả năng hấp thụ Cr(VI) trong dung dịch của vật liệu ZnO – CuO là khá cao (4,97 mg.g-1) và bị ảnh hƣởng bởi tỉ lệ thành phần của ZnO – CuO, quá trình quang xúc tác, thời gian phản ứng và độ pH. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Janotti, C. G. Van de Walle, Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor, Reports on Progress in Physics, 72(12), 1 – 29, 2009. [2] S. Jung, S. Jeon, K. Yong, Fabrication and characterization of flower – like CuO – ZnO heterostructure nanowire arrays by photochemical deposition, Nanotechnology, 22(1), 015606(1–8), 2011. 51
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 [3] A. B. Kuz‟menko, D. Van der Marel, P. Van Bentum, E. Tishchenko, C. Presura, A. Bush, Infrared spectroscopic study of CuO: Signatures of strong spin-phonon interaction and structural distortion, Physical Review B, 63(9), 094303, 2001. [4] B. Li, Y. Wang, Facile synthesis and photocatalytic activity of ZnO – CuO nanocomposite, Superlattices and Microstructures, 47(5), 615 – 623, 2010. [5] D. Li, H. Haneda, Photocatalysis of sprayed nitrogen-containing Fe2O3–ZnO and WO3– ZnO composite powders in gas-phase acetaldehyde decomposition, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 160(3), 203 – 212, 2003. [6] K. Liao, P. Shimpi, P. Gao, Thermal oxidation of Cu nanofilm on three –dimensional ZnO nanorod arrays, Journal of Materials Chemistry, 21(26), 9564 – 9569, 2011. [7] P. Sathishkumar, R. Sweena, J. J. Wu, S. Anandan, Synthesis of CuO – ZnO nanophotocatalyst for visible light assisted degradation of a textile dye in aqueous solution, Chem.Engine.J., 171(1), 136 – 140, 2011. [8] Y. X. Wang, X. Y. Li, N. Wang, X. Quan and Y.Y. Chen, Controllable synthesis of ZnO nanoflowers and their morphology-dependent photocatalytic activities, Sep. Purif. Technol. 62(3), 727, 2008. [9] Y. X.Wang, Y. Li, G. Lu, G. H. Chen and Y. Y. Chen, Synthesis and photocatalytic degradation propertyof nanostructured – ZnO with different morphology, Mater. Lett. 62(15), 2359 – 2362, 2008. [10] S. Wei, Y. Chen, Y. Ma, Z. Shao, Fabrication of CuO/ZnO composite films with cathodic co-electrodeposition and their photocatalytic performance, J. of Mole. Cataly. A: Chem., 331, 112, 2010. [11] Yanzu Zhu, Chorng-Haur Sow, Ting Yu, Qing Zhao, Pinghui Li, Zexiang Shen, Dapeng Yu and John Thiam-Leong Thong, Co-synthesis of ZnO – CuO nanostructures by Directly Heating Brass in Air, Avd. Funct. Mater. 16, 2415 – 2422, 2006. [12] M. Zhao, J. Zhang, Wastewater treatment by photocatalytic oxidation of Nano – ZnO, Global Enviromental Policy in Japan. 12, 88, 2009. 52

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.