intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nano TiO2/Al2O3 và thử nghiệm xử lý khí No, Co

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

141
lượt xem
6
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano TiO2/Al2O3 (lớp màng TiO2- anatas phủ trên bề mặt sợi oxit nhôm) theo phương pháp sol-gel. Dung dịch sol TiO2 được điều chế từ các chất ban đầu là titan tetraizopropoxit, axetylaxeton, nước và etanol với tỉ lệ mol các cấu tử lần lượt là 1:1:3:20 (sol A) và 1:2:3:20 (sol B).

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nano TiO2/Al2O3 và thử nghiệm xử lý khí No, Co

Nguyễn Thị Ngọc Linh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 83(07): 19 - 23<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TiO2/Al2O3<br /> VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ KHÍ NO, CO<br /> Nguyễn Thị Ngọc Linh1*, Nguyễn Thị Huệ2, Nguyễn Tuyết Vân2<br /> 1<br /> <br /> Trường ĐH Khoa Học - ĐH Thái Nguyên<br /> Viện Môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> <br /> 2<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano TiO2/Al2O3 (lớp màng TiO2anatas phủ trên bề mặt sợi oxit nhôm) theo phương pháp sol-gel. Dung dịch sol TiO2 được điều<br /> chế từ các chất ban đầu là titan tetraizopropoxit, axetylaxeton, nước và etanol với tỉ lệ mol các cấu<br /> tử lần lượt là 1:1:3:20 (sol A) và 1:2:3:20 (sol B). Qua các kết quả phân tích bằng phương pháp<br /> XRD, SEM cho thấy: thời gian nhúng mẫu oxit nhôm tốt nhất trong sol A và B là 90 phút sẽ cho<br /> các hạt TiO2-anatas có dạng hình cầu với kích thước nano và phủ đều trên bề mặt sợi oxit nhôm;<br /> mẫu tạo ra từ sol B cho kích thước hạt nhỏ và đồng đều hơn sol A. Thử nghiệm xử lý khí NO và<br /> CO cho thấy dưới tác dụng của nguồn sáng có bước sóng là 360nm vật liệu TiO2/Al2O3 phân hủy<br /> các khí này tương đối tốt. Anatas TiO2/Al2O3 với khả năng hoạt động quang hóa cao, có nhiều<br /> triển vọng trong vấn đề xử lý khí NO và CO phát thải do hoạt động giao thông.<br /> Từ khóa: nano TiO2, phương pháp sol-gel, hoạt tính xúc tác<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Với sự gia tăng của các hoạt động giao thông đã<br /> làm cho môi trường không khí ngày càng bị ô<br /> nhiễm trầm trọng. Vì vậy việc thiết lập công nghệ<br /> xử lý khí thải hiện nay là vấn đề được nhiều nhà<br /> khoa học quan tâm nghiên cứu. Một trong các giải<br /> pháp kỹ thuật đó là ứng dụng tính chất quang<br /> xúc tác của vật liệu nano TiO 2.<br /> Titanđioxit (TiO2) với kích thước tinh thể cỡ nano<br /> mét có cấu trúc xốp đã làm tăng hiệu ứng xúc tác<br /> rõ rệt và được ứng dụng nhiều trong thực tế. Hệ<br /> quang hoá TiO2 rất bền có hiệu ứng xúc tác cao và<br /> có khả năng xử lý khí thải rất tốt nhờ vào năng<br /> lượng ánh sáng mặt trời [1]. TiO2 tồn tại ở ba dạng<br /> tinh thể anatas, rutil và brookit, trong đó dạng<br /> anatas có hoạt tính xúc tác quang hoá là mạnh<br /> nhất.<br /> Để tổng hợp lớp màng nano TiO2 dạng anatas phủ<br /> đều trên bề mặt sợi oxit nhôm chúng tôi đã dùng<br /> phương pháp sol-gel. Trên thế giới cho đến nay có<br /> rất ít công trình đề cập đến vấn đề này. Do vậy,<br /> mục đích của đề tài là nghiên cứu mối liên quan<br /> giữa quá trình sol-gel và cấu trúc tinh thể của<br /> màng TiO2, đồng thời thử nghiệm xử lý khí NO,<br /> CO của vật liệu chế tạo được.<br /> THỰC NGHIỆM<br /> 1. Tổng hợp vật liệu<br /> *<br /> <br /> Tổng hợp vật liệu nano TiO2/Al2O3 theo phương<br /> pháp sol-gel từ các chất ban đầu là titan<br /> tetraizopropoxit Ti(OC3H7i)4 (TTIP), etanol C2H6O<br /> (EtOH), axetylaxeton C5H8O2 (ACAC) của Đức và<br /> sợi Al2O3 của Nhật Bản, bao gồm các giai đoạn<br /> chính sau:<br /> - Điều chế các sol TiO2<br /> Sol A: TTIP:ACAC:H2O: EtOH = 1:1:3:20<br /> Sol B: TTIP:ACAC:H2O: EtOH = 1:2:3:20<br /> Lấy hỗn hợp các chất với tỉ lệ mol các cấu tử như<br /> trên cho vào bình nón và khuấy bằng máy khuấy từ<br /> trong 5 giờ thu được các sol TiO2 có màu vàng nâu<br /> [2].<br /> - Tạo màng nano TiO2/Al2O3<br /> Các sợi Al2O3 được vo tròn thành từng cuộn nhỏ<br /> và nhúng vào các sol TiO2 đã điều chế. Khảo sát<br /> quá trình nhúng mẫu trong khoảng thời gian 30,<br /> 60, 90, 120 phút và 24 giờ. Lấy các mẫu ra và để<br /> trong không khí từ 12-24 giờ. Sau đó cho vào tủ<br /> nung Carbolite (Đức), điều chỉnh nhiệt độ như sau:<br /> Ban đầu, nhiệt độ được nâng lên từ từ theo tốc độ<br /> 2oC/phút. Giữ cố định ở 100oC trong 1 giờ để loại<br /> hoàn toàn nước trong các lớp màng. Rồi nâng nhiệt<br /> độ lên tới 500 oC và giữ ở nhiệt độ đó trong 3 giờ.<br /> Sau đó nhiệt độ được hạ dần về nhiệt độ phòng [3].<br /> 2. Nghiên cứu khả năng xử lý khí NO, CO của<br /> vật liệu TiO2<br /> <br /> Tel: 0984792522; Email: ngoclinhtn84@yahoo.com.vn<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 19<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Ngọc Linh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Tiến hành phản ứng quang hoá xúc tác phân huỷ<br /> NO và CO trong test box có thể tích là 1m3 với sự<br /> kích thích quang của 4 đèn chiếu sáng, mỗi đèn có<br /> công suất là 20W, bước sóng của ánh sáng là<br /> 360nm. Đặt hai tấm vật liệu có kích thước 35  35<br /> cm vào test box, thu khí NO, CO với nồng độ<br /> 5ppm tương đương với nồng độ trong thực tế tại<br /> một số khu vực đã khảo sát trên địa bàn Hà Nội.<br /> Bật đèn để phản ứng xảy ra, sau 1, 2, 3, 4<br /> giờ,....kiểm tra nồng độ khí NO, CO bằng thiết bị<br /> đo Drager Safety (Đức) qua ống dẫn khí trích từ<br /> test box.<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Đặc trưng của màng TiO2<br /> Các vật liệu tạo ta từ sol A và B được nghiên cứu<br /> bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (thiết bị Siemens<br /> D5000). Kết quả (hình 1 và 2) cho thấy các mẫu<br /> đều có cấu trúc 100% anatas với các cực đại đặc<br /> trưng cho pha này ở 2=25,3o (mặt 101); 37,8o<br /> (mặt 004) và 48o (mặt 200), các giá trị 2 = 37,27o<br /> và 42,60 là vị trí của pic Al (200c) và Al (202c)<br /> [4]. Các mẫu được tạo ra từ sol A và sol B với thời<br /> gian nhúng 90 phút sẽ cho cường độ phổ pha TiO2<br /> - anatas lên cao và nhọn hơn các mẫu còn lại. Với<br /> cùng thời gian nhúng 90 phút, mẫu được tạo ra từ sol<br /> B cho cường độ phổ pha TiO2 - anatas cao hơn mẫu<br /> tạo ra từ sol A (hình 3).<br /> Cps<br /> <br /> Cps<br /> <br /> 83(07): 19 - 23<br /> <br /> Al<br /> <br /> TiO 2<br /> <br /> e<br /> d<br /> c<br /> b<br /> a<br /> Hình 2. Giản đồ XRD của mẫu TiO2/Al2O3 tạo bởi sol<br /> B với thời gian nhúng 30 phút (a), 60 phút (b), 90 phút<br /> (c), 120 phút (d) và 24 giờ (e)<br /> Al<br /> <br /> Cps<br /> TiO 2<br /> <br /> a<br /> b<br /> Hình 3. Giản đồ XRD của mẫu TiO2/Al2O3 tạo bởi sol A<br /> ( a ) và B (b) với thời gian nhúng 90 phút<br /> <br /> Kết quả phân tích SEM (thiết bị FESEM S-4800)<br /> một số mẫu tạo ra từ sol A cho thấy: thời gian<br /> nhúng 30 phút chưa hình thành các hạt (TiO2 anatas) rõ ràng (hình 4a), thời gian nhúng 90 phút<br /> cho các hạt có dạng hình cầu với kích thước tương<br /> đối đồng đều (hình 4b), thời gian nhúng 24 giờ<br /> các hạt đã hình thành nhưng kích thước không đều<br /> đồng thời có sự kết tụ thành khối (hình 4c). Với sol<br /> B: thời gian nhúng 90 phút cho các hạt có dạng<br /> hình cầu với kích thước hạt nhỏ tương đối đồng<br /> đều (hình 5a), thời gian nhúng 120 phút cho kích<br /> thước hạt to hơn và thấy xuất hiện sự kết tụ của<br /> các hạt (hình 5b), thời gian nhúng 24 giờ các hạt<br /> có kích thước không đều đồng thời có sự kết tụ<br /> thành khối (hình 5c).<br /> <br /> Al<br /> TiO 2<br /> <br /> e<br /> d<br /> c<br /> b<br /> a<br /> <br /> Hình 1. Giản đồ XRD của mẫu TiO2/Al2O3 tạo bởi sol<br /> A với thời gian nhúng 30 phút (a), 60 phút (b), 90 phút<br /> (c), 120 phút (d) và 24 giờ (e).<br /> <br /> Như vậy, với những mẫu được tạo ra từ sol A và B<br /> nhúng trong 90 phút sẽ cho tinh thể TiO2 có dạng<br /> hình cầu với kích thước nano và đồng đều hơn<br /> những mẫu còn lại. Sol B (lượng ACAC tăng lên<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 20<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Ngọc Linh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> hai lần) cho kích thước hạt giảm (hình 5a) và chiều<br /> <br /> 83(07): 19 - 23<br /> <br /> dày lớp màng cũng tăng lên (hình 6b).<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (c)<br /> Hình 4. Ảnh SEM của vật liệu TiO2/Al2O3 tạo bởi<br /> sol A với thời gian nhúng 30 phút (a), 90 phút (B)<br /> và 24 giờ (c)<br /> <br /> (c)<br /> Hình 5. Ảnh SEM của vật liệu TiO2/Al2O3 tạo bởi<br /> sol B với thời gian nhúng 90 phút (a), 120 phút (B)<br /> và 24 giờ (c)<br /> <br /> (b)<br /> (a)<br /> Hình 6. Chiều dày lớp phủ anatase TiO2 /Al2O3 tạo bởi sol A (a) và sol B (b)<br /> <br /> Các kết quả thu được khác nhau đối với các<br /> dung dịch sol A và B có thể là do bị ảnh<br /> hưởng bởi tốc độ phản ứng thủy phân và<br /> ngưng tụ của phức tạo bởi TTIP và phối tử<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> ACAC [3]. Phản ứng giữa TTIP và ACAC<br /> với các tỉ lệ mol khác nhau có thể được biểu<br /> diễn như sau:<br /> <br /> 21<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Ngọc Linh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Ti(O-i-C3H7)4 + x(CH3)2(CO)2CH2 → Ti(O-iC3H7)4-x [(CH3)2(CO)2CH]x + x i-C3H7OH (x<br /> là số mol của ACAC)<br /> Tốc độ của quá trình thủy phân và ngưng tụ tỉ<br /> lệ nghịch với lượng phối tử thêm vào, nghĩa<br /> là tốc độ thủy phân của Ti(O-i-C3H7)4-x<br /> [(CH3)2(CO)2CH]x khi x = 2 chậm hơn tốc<br /> độ thủy phân của Ti(O-i-C3H7)4-x<br /> [(CH3)2(CO)2CH]x khi x = 1. Do vậy, vật<br /> liệu được tạo ra từ sol B sẽ cho kích thước<br /> hạt nhỏ hơn sol A, điều này hoàn toàn phù<br /> hợp với lý thuyết.<br /> Qua các kết quả phân tích bằng phương pháp<br /> XRD, SEM cho thấy thời gian nhúng mẫu tốt<br /> nhất trong sol A và B là 90 phút sẽ cho các<br /> hạt TiO2-anatas có dạng hình cầu với kích<br /> thước nano và phủ đều trên bề mặt sợi oxit<br /> nhôm. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn thời gian<br /> này để tổng hợp vật liệu nano TiO2/Al2O3 tạo<br /> ra từ sol A và B đồng thời nghiên cứu khả<br /> năng phân hủy khí NO và CO của vật liệu đó.<br /> 2. Nghiên cứu khả năng xử lý khí NO, CO<br /> của vật liệu TiO2<br /> Kết quả nghiên cứu cho thấy CO bị khử hoàn<br /> toàn sau 7 giờ bởi vật liệu được phủ sol A và<br /> sau 6 giờ bởi sol B (hình 7), NO bị khử hoàn<br /> <br /> toàn sau 8 giờ bởi vật liệu được phủ sol A và<br /> sau 7 giờ bởi sol B (hình 8). Khi có hỗn hợp<br /> khí CO và NO thì trong 5 giờ đầu CO bị phân<br /> hủy rất nhanh, NO bị phân hủy chậm, khi<br /> CO bị phân hủy hết thì NO sẽ nhanh chóng<br /> bị phân hủy (hình 9,10). Kết quả nghiên cứu<br /> cũng cho thấy vật liệu được phủ bởi sol B<br /> có hoạt tính xúc tác tốt hơn vật liệu được<br /> phủ bởi sol A.<br /> KẾT LUẬN<br /> Đã chế tạo được vật liệu nano TiO2 anatase<br /> phủ trên bề mặt sợi oxit nhôm đi từ hỗn hợp<br /> dung dịch TTIP, ACAC, H2O và EtOH bằng<br /> phương pháp sol-gel. Các mối liên quan giữa<br /> quá trình sol-gel và cấu trúc tinh thể của<br /> màng TiO2 được nghiên cứu và khảo sát.<br /> Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng: thời<br /> gian nhúng mẫu tốt nhất trong sol A và B là<br /> 90 phút sẽ cho các hạt TiO2-anatas có dạng<br /> hình cầu với kích thước nano và phủ đều trên<br /> bề mặt sợi oxit nhôm; mẫu tạo ra từ sol B cho<br /> kích thước hạt nhỏ và đồng đều hơn sol A.<br /> Các kết quả nghiên cứu này đã chứng tỏ màng<br /> TiO2 được chế tạo theo phương pháp sol-gel<br /> có khả năng quang hoá cao.<br /> <br /> Sự phân huỷ khí CO của vật liệu nano<br /> TiO2/Al2O3<br /> <br /> Sự phân huỷ khí NO và CO của vật liệu<br /> nano TiO2/Al2O3 với tỉ lệ 1:1:3:20<br /> <br /> 6<br /> <br /> 6<br /> <br /> 5<br /> 1:2:3:20<br /> <br /> 4<br /> <br /> 1:1:3:20<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1:1:3:20 + đèn<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1:2:3:20 + đèn<br /> <br /> 1<br /> 0<br /> <br /> Nồng độ (ppm)<br /> <br /> Nồng độ (ppm)<br /> <br /> 83(07): 19 - 23<br /> <br /> 5<br /> 4<br /> NO<br /> <br /> 3<br /> <br /> CO<br /> <br /> 2<br /> 1<br /> 0<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 1<br /> <br /> Thời gian (h)<br /> <br /> Hình 7. Sự phân hủy CO của vật liệu TiO2/Al2O3<br /> được phủ bởi sol A và B<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> 9<br /> <br /> 10<br /> <br /> Thời gian (h)<br /> <br /> Hình 9. Sự phân hủy CO và NO của vật liệu<br /> TiO2/Al2O3 được phủ bởi sol A<br /> <br /> 22<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Ngọc Linh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> Sự phân huỷ khí NO và CO của vật liệu<br /> nano TiO2/Al2O3 với tỉ lệ 1:2:3:20<br /> <br /> Sự phân huỷ khí NO của vật liệu nano<br /> TiO2/Al2O3<br /> 6<br /> <br /> 5<br /> 1:2:3:20<br /> <br /> 4<br /> <br /> 1:1:3:20<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1:1:3:20 + đèn<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1:2:3:20 + đèn<br /> <br /> 1<br /> <br /> Nồng độ (ppm)<br /> <br /> 6<br /> Nồng độ (ppm)<br /> <br /> 83(07): 19 - 23<br /> <br /> 5<br /> 4<br /> NO<br /> <br /> 3<br /> <br /> CO<br /> <br /> 2<br /> 1<br /> 0<br /> <br /> 0<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 1<br /> <br /> 8<br /> <br /> Hình 8. Sự phân hủy NO của vật liệu TiO2/Al2O3<br /> được phủ bởi sol A và B.<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> 9<br /> <br /> Thời gian (h)<br /> <br /> Thời gian (h)<br /> <br /> Hình 10. Sự phân hủy CO và NO của vật liệu<br /> TiO2/Al2O3 được phủ bởi sol B.<br /> <br /> Kết quả thử nghiệm xử lý khí CO và NO bằng<br /> vật liệu nano TiO2/Al2O3 cho thấy dưới tác<br /> dụng của nguồn sáng có bước sóng là 360nm<br /> các khí này bị phân hủy hết sau vài giờ chiếu<br /> sáng. Với lớp màng TiO2 được chế tạo từ sol<br /> B có khả năng phân hủy CO và NO tốt hơn<br /> sol A. Như vậy, lớp màng anatas TiO2/Al2O3<br /> có nhiều triển vọng trong vấn đề xử lý khí NO<br /> và CO phát thải do hoạt động giao thông.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Trần Thị Đức, Nguyễn Thị Huệ (2003)<br /> “Nghiên cứu chế tạo các loại màng xúc tác quang<br /> hóa TiO2 để xử lý các chất độc hại trong không<br /> khí và nước”. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện<br /> Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội.<br /> [2]. Nguyễn Thị Huệ, H. Tao da (2000) “Phương<br /> pháp tạo màng quang xúc tác TiO2 trên silicagel,<br /> thủy tinh và ứng dụng trong phân hủy các hợp chất<br /> hữu cơ” Tuyển tập các báo cáo tại hội nghị phân<br /> tích hóa lý và sinh học trên toàn quốc lần 2.<br /> [3]. Nguyễn Thị Huệ (2007) Characteristic of TiO2<br /> thin films on Chi-Alumina fiber by sol-gel<br /> method, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, tập 45,<br /> số 1B.<br /> [4]. JCPDS-International Center for Diffraction<br /> Data, PDF 21-1272; PDF 21-1276; PDF 13-0373.<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 23<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2