Nghiên cứu tổng hợp xúc tác nano Ag/Fe2O3 định hướng phân hủy quang xanh methylen

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

324

KHOA H

ỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC NANO Ag/Fe

ĐỊNH HƯỚNG PHÂN HỦY QUANG XANH METHYLEN

RESEARCH FOR SYNTHESIS OF NANO Ag/Fe2O3 NANO CATEGORY DIRECTIONS TO BLUE LIGHT DESCRIPTION METHYLEN Nguyễn Thị Hồng Ngọc1, Đàm Thị Huyền1, Đỗ Phương Ngọc Linh1, Nguyễn Thế Hữu2,* TÓM TẮT Tổng hợp thành công vật liệu hấp thụ xanh Methylen từ biến tính Fe2O3 vớ

mật độ phân tán tốt của các hạt bạc trên bề mặt sắt (III) oxit. Điều kiện nồng độcác chất khử để tổng hợp Ag/Fe2O3 khác nhau cho thấy khả năng tạo hạt lai củ

Ag/Fe2O3 cũng khác nhau. Cùng với đó nồng độ NaBH4 phù hợp để tổng hợp hạ

t lai

tối ưu nhất là 0,3M. Theo kết quả đo BET diện tích bề mặt riêng của bạ

c là

0,6382m2/g. Đã khảo sát vật liệu hấp thụ với xanh Methylen và khả năng hấp thụlên đến 92% tổng nồng độ xanh Methylen trong điều kiện chiếu tia UV với thờ

gian 12 tiếng ở 30°C, trong điều kiện ánh sáng mặt trời khả năng hấp thụ đạ

t 100%

với tổng thời gian 20 tiếng ở 33°C. Từ khóa: Ag/Fe2O3, hạt lai, phân hủy xanh methylen. ABSTRACT

Successfully synthesized methylene blue absorbent material from modified

Fe2O3

with good dispersion density of silver particles on iron(III) oxide surface. The

conditions of different concentrations of reducing agents for Ag/ Fe2O3

synthesis

show that the hybrid granulation ability of Ag/ Fe2O3

is also different. Along with

that, the most suitable concentration of NaBH4

for the synthesis of hybrid seeds is

0.3M. According to the BET measurement results, the specific surface area of

silver

is 0.6382m2/g. I

nvestigated the absorbent material with methylene blue and the

ability to absorb up to 92% of the total

methylene blue concentration under UV

irradiation for 12

hours at 30°C, in sunlight the ability to absorb 100% absorption

with a total time of 20 hours at 33°C. Keywords: Ag/Fe2O3, hybrid seed, methylene blue decomposition. 1Lớp Kỹ thuật Hóa học 01 - K16, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệ

Hà Nội 2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenthehuu@haui.edu.vn 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và đặc biệt là môi trường nước nói riêng đang là mối quan tâm của toàn nhân loại. Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, đi đôi với sự phát triển của ngành công nghiệp thì lượng chất thải vô cơ, hữu cơ, kim loại nặng,.. thải ra môi trường ngày một tăng. Việc xử lý nước thải không triệt để sẽ khiến vấn đề ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng, điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới nguồn nước mặt, sông, hồ và nguồn nước ngầm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật thủy sinh. Trong những năm gần đây việc sử dụng xúc tác quang bán dẫn để ứng dụng trong xử lý các hợp chất hữu cơ nói chung và nguồn nước thải nói riêng đã thu được những thành tựu đáng kể. Trong đó, hệ vật liệu xúc tác quang trên cơ sở bạc và oxit sắt đang được quan tâm và nghiên cứu. Dưới tác dụng của tia tử ngoại, nhờ các gốc tự do được sinh ra thì các vật liệu này có khả năng tự làm sạch, phân hủy các khí độc hại, diệt vi khuẩn và nấm mốc. Tuy nhiên người ta ước tính bức xạ tử ngoại chỉ chiếm khoảng 9% năng lượng do ánh sáng mặt trời phát ra, nhưng chỉ có 1/3 lượng bức xạ trên thâm nhập được vào khí quyển và tới mặt đất. Như vậy khi chiếu đến mặt đất, năng lượng ánh sáng mặt trời gồm 4% tia tử ngoại, 43% ánh sáng nhìn thấy và 53% là tia hồng ngoại. Hiện nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe, Co trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite). Trong số đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác bởi những ưu điểm của nó như: năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt lớn, nhiều dạng hợp chất của sắt như FeO, -Fe2O3, - Fe2O3,… có hoạt tính hóa học, đặc biệt là khả năng hấp phụ/ xúc tác rất cao, nguyên liệu rẻ, thân thiện với môi trường, không khó khăn trong việc chế tạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Ag/ Fe2O3 thể hiện hoạt tính cao nhất khí thực hiện quá trình định hướng phân huỷ quang xanh methylen. Với những ưu điểm này, vật liệu Ag/ Fe2O3 nhận được sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên vật liệu Fe2O3: tinh thể (Trung Quốc); AgNO3: tinh thể (Trung Quốc); NaBH4: tinh thể (Trung Quốc); methylen xanh: tinh thể (Việt Nam).

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 325

2.2. Phương pháp 2.2.1. Tổng hợp hệ xúc tác Ag/Fe2O3 Giai đoạn tạo hệ xúc tác: Cân 0,2g nano Fe2O3 (kích thước <100nm) cho vào cốc 1 lít chứa 200ml nước, khuấy đều trong vòng 1 giờ. Cân 0,1g AgNO3 cho vào cốc 250ml chứa 20ml nước, khuấy đều trên mấy khuấy từ 1 giờ. Tiến hành cho dung dịch AgNO3 vào cốc 1 lít có chứa nano Fe2O3 khuấy trong 30 phút. Dung dịch được đưa vào máy rung siêu âm trong vòng 2 giờ (dung dịch A). Giai đoạn khử hóa học bằng chất khử NaBH4: Lấy 0,4g NaBH4 hòa tan hoàn toàn vào 30ml nước cất sau đó cho từ từ vào dung dịch A để thực hiện phản ứng khử (vừa cho vừa khuấy đều trên máy khuấy từ) ở nhiệt độ 4°C. Sau khí cho xong khuấy tiếp trong 4 giờ. Kết thúc, sản phẩm thu được đưa vào máy ly tâm, sau đó đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 95°C - 100°C đến khối lượng không đổi. 2.2.2. Quá trình oxi hóa làm mất màu xanh Methylen - Chuẩn bị 2 cốc thủy tinh 250ml, mỗi cốc chứa 100ml xanh methylen nồng độ 3 ppm. - Cân 0,1g xúc tác Ag/ Fe2O3 thu được từ quá trình trên cho vào 2 cốc chứa xanh methylen đã chuẩn bị trước đó. - Khảo sát độ hấp thụ xanh methylen bằng hai cách: + Cách 1: Đặt trên bếp khuấy từ (không gia nhiệt), chiếu dưới ánh đèn UV. + Cách 2: Hấp thụ ánh sáng mặt trời. - Sau mỗi 1h đồng hồ sẽ đem đi khảo sát độ hấp thụ bằng máy UV - VIS. 2.3. Yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp xúc tác Ag/Fe2O3 2.3.1. Ảnh hưởng về thời gian Quá trình tổng hợp hạt lai được tiến hành ở từng khoảng thời gian khác nhau để khảo sát độ hoạt tính của hạt lai. Khảo sát độ phân bố của hạt lai ở từng khoảng thời gian khác nhau qua phương pháp đo TEM. 2.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử Quá trình tổng hợp hạt lai được tiến hành ở từng khoảng nồng độ khác nhau của chất khử NaBH4 để khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ dung dịch khử NaBH4 đến kích thước hạt lai và hoạt tính của xúc tác. Phản ứng được tiến hành ở điều kiện cố định, các yếu tố khác chỉ thay đổi là nồng độ của dung dịch khử NaBH4 lần lượt là 0,1M; 0,2M; 0,3M; 0,4M. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Yếu tố ảnh hưởng - Ảnh hưởng về thời gian: Bảng 1. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tạo hạt lai Thời gian tổng hợp hạt lai (giờ) Kích thước hạt hạt lai (nm) Sự phân bố Ag/Fe2O3 1 Hạt tạo ra rất ít Hạt tạo ra rất ít 2 4-15 Phân tán Không đồng đều

3 5-20 Phân tán đồng đều 4 13-25 Co cụm Kết luận: Chọn thời gian tổng hợp hạt lai là 3h cho các quá trình khảo sát tiếp theo. - Ảnh hưởng của nồng độ chất khử: Bảng 2. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 0,1M 0,2M 0,3M 0,4M Kích thước hạt

Hạt tạo ra ít 5-15 10-20 20-30 Độ phân bố Không ổn định Phân bố không đều

Phân bố đều

Co cụm Độ ổn định Không ổn định Không ổn định Ổn định Ổn định Kết luận: Lựa chọn nồng độ NaBH4 là 0,3M cho các quá trình khảo sát tiếp theo. 3.2. Kết quả TEM Dựa vào kết quả chụp TEM ta thấy được tương quan giữa độ phóng đại và sự phân bố của hạt lai qua từng thời gian tổng hợp. Ta thu được kết quả như hình 1 ÷ 4. Hình 1. Sự phân bố hạt lai sau 1h tổng hợp Hình 2. Sự phân bố của hạt lai sau 2h tổng hợp

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

326

KHOA H

ỌC

Hình 3. Sự phân bố hạt lai sau 3h tổng hợp Hình 4. Sự phân bố hạt lai sau 4h tổng hợp Kết luận. Từ kết quả trên cho thấy hạt AgNO3 phân bố khá đồng đều, tỉ lệ hạt phân bố cao. 3.3. Kết quả đo BET Hình 5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu hạt lai Ag/Fe2O3 quang Ta thấy diện tích bề mặt riêng của mẫu thu được tương đối nhỏ nguyên nhân là do các hạt Fe2O3 có độ xốp tương đối cao các hạt Ag bám trên bề mặt, mao quản tạo thành do các hạt lai tách rời nhau (đây được gọi là mao quản ngoài) nên diện tích bề mặt riêng nhỏ. Phân bố đường kính mao quản trung bình như hình 6. Hình 6. Phân bố đường kính mao quản Kết luận: Diện tích bề mặt riêng của hạt lai là 0,6382m2/g do vậy diện tích bề mặt riêng của vật liệu hạt lai là khá nhỏ. Sự phân bố mao quản tập trung ở 40 đến 60nm và kích thước mao quản trung bình tương đối nhỏ (3,5nm). 3.4. Giản đồ XRD Hình 7. Giản đồ XDR của Fe2O3 Kết luận: Xuất hiện các nhóm pic đặc trưng của vật liệu là các pic nhiễu xạ ở góc 2θ ~ 29,4°; 35,6°; 39,5° đặc trưng cho mẫu. Xuất hiện pic sắc nhọn đạt đỉnh tại 1800 cho thấy hạt lai Ag/Fe2O3 đặt độ tinh khiết khá cao.

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 327

3.5. Khảo sát khả năng phân hủy xanh methylen của vật liệu a) Tốc độ phân hủy xanh Methylen của hạt lai dưới ánh nắng mặt trời Tiến hành khảo sát trên mẫu dung dịch xanh Methylen có nồng độ 3,02M. Quá trình khảo sát được tiến hành bằng cách quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch xanh methylen gốc đặt ngoài ánh sáng tự nhiên. Sau mỗi 1 giờ đồng hồ sẽ đem đi khảo sát độ hấp thụ bằng máy UV- VIS. b) Tốc độ phân hủy xanh Methylen dưới đèn UV Tiến hành khảo sát trên mẫu dung dịch xanh Methylen có nồng độ 3,02M. Quá trình khảo sát được tiến hành bằng cách quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch xanh methylen gốc đặt trong đèn chiếu tia UV. Sau mỗi 1 giờ đồng hồ sẽ đem đi khảo sát độ hấp thụ bằng máy UV- VIS, dựa trên phương trình đường chuẩn để xác định nồng độ. Hình 8. Đường chuẩn thể hiện độ hấp thụ xanh methylen Bảng 3. Độ hấp thụ của vật liệu Ag/Fe2O3 Thời gian Độ hấp thụ Chiếu đèn UV Nồng độ Hấp thụ ánh sáng mặt trời Nồng độ Ban đầu 4,75A 3,02M 4,75A 3,02M 1 giờ 3,00A 1,85M 3,09A 1,91M 2 giờ 2,88A 1,77M 3,06A 1,89M 3 giờ 2,76A 1,69M 3,05A 1,88M 4 giờ 2,50A 1,52M 2,83A 1,74M 5 giờ 2,24A 1,35M 2,61A 1,59M 6 giờ 1,87A 1,10M 2,45A 1,49M 7 giờ 1,69A 0,98M 2,37A 1,43M 8 giờ 1,33A 0,74M 2,19A 1,31M 9 giờ 0,94A 0,48M 1,94A 1,15M 10 giờ 0,76A 0,36M 1,78A 1,04M 11 giờ 0,61A 0,26M 1,59A 0,91M 12 giờ 0,00A 0M 1,34A 0,75M 13 giờ 1,19A 0,65M 14 giờ 0,89A 0,45M 15 giờ 0,71A 0,33M 16 giờ 0,62A 0,27M 17 giờ 0,50A 0,19M 18 giờ 0,39A 0,11M 19 giờ 0,26A 0,03M 20 giờ 0,00A 0M Từ bảng 3 cho thấy độ hấp thụ quang của vật liệu dưới đèn UV lớn hơn ngoài ánh sáng mặt trời. Để khử hết màu xanh methylen khí chiếu đèn UV sẽ mất 12h và khí hấp thụ ánh sáng mặt trời sẽ mất 20h. 4. KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu tổng hợp xúc tác nano Ag/Fe2O3 với định hướng phân hủy quang xanh methylen, nhóm tác giả thu được kết quả như sau: - Nghiên cứu chế tạo thành công xúc tác quang Ag/Fe2O3 .Được tiến hành với các điều kiện như sau: điều kiện chiếu dưới đèn UV, thời gian tiến hành tổng hợp 8,5 giờ, nồng độ của AgNO3 0,02M, sau khí lọc, rửa, sấy khô thu được vật liệu hỗn hợp bạc, sắt oxit. - Xác định các tính chất hóa lý đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp hiện đại như: XRD, TEM và BET. Kết quả cho thấy hỗn hợp bạc, sắt oxit có diện tích bề mặt riêng là 0,6382 m2/g. - Thử khả năng phân hủy chất màu hữu cơ của vật liệu xúc tác quang Ag/Fe2O3 (chất màu ở đây là Xanh methylen) dưới điều kiện ánh sáng mặt trời và dưới ánh đèn UV. Kết quá cho thấy xúc tác quang Ag/Fe2O3 dưới ánh đèn UV sẽ có khả năng hấp thụ tốt hơn và làm mất màu xanh methylen nhanh hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. D. Nayak, S. Ashe, P.R. Rauta, M. Kumari, B. Nayak, 2016. Bark extract mediated green synthesis of silver nanoparticles: Evaluation of antimicrobial activity and antiproliferative response against osteosarcoma. Mater. Sci. Eng. C-Mater. Biol. Appl., 58, pp.44-52. [2]. R. Singh, U.U. Shedbalkar, S.A. Wadhwani, B.A. Chopade, 2015. Bacteriagenic silver nanoparticles: synthesis, mechanism, and applications. Appl. Microbiol. Biotechnol., 99, pp.4579-4593. [3]. P. Falcaro, R. Ricco, A. Yazdi, I. Imaz, S. Furukawa, D. Maspoch, R. Ameloot, J.D. Evans, C.J. Doonan, 2016. Application of metal and metal oxide nanoparticles@MOF. Coord. Chem. Rev., 307, pp.237-254. [4]. https://tailieu.vn/tag/phuong-phap-tong-hop-nano-bac.html [5]. https://123docz.net/trich-doan/2762401-tong-quan-cac-phuong-phap-che-tao-vat-lieu-chua-nano-bac.htm [6]. https://tailieu.vn/doc/luan-an-tien-si-hoa-hoc-nghien-cuu-che-tao-vat-lieu-nano-bac-chat-mang-ung-dung-trong-xu-ly-moi-tru-1866114.html [7]. https://tailieutuoi.com/tai-lieu/tom-tat-luan-an-tien-si-hoa-hoc-nghien-cuu-che-tao-vat-lieu-nano-bac-chat-mang-ung-dung-trong-xu-ly-moi-truong [8]. https://sites.google.com/site/downloadluanvantotnghiep/luan-an-tien-si-nghien-cuu-che-tao-vat-lieu-nano-bac-chat-mang-ung-dung-trong-xu-ly-moi-truong-tran-quang-vinh [9]. https://xemtailieu.net/tai-lieu/tong-hop-nano-zno-pha-tap-ag-va-ung-dung-xu-ly-xanh-methylen-trong-moi-truong-nuoc-2602274.html [10]. https://123docz.net/document/6877205-ung-dung-cua-cac-hat-nano-oxit-sat-fe2o3-tu-tinh.html