Tổng hợp vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng và hoạt tính quang xúc tác

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

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được tổng hợp thành công bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng. Vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 đã được khảo sát các tính chất trên các thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), phổ khuếch tán phản xạ UV-Vis (DRS) và từ kế mẫu rung (VSM).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng và hoạt tính quang xúc tác

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci. 2017, Vol. 62, No. 3, pp. 3-9 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0001 TỔNG HỢP VẬT LIỆU Bi2Sn2O7/CoFe2O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỖ TRỢ VI SÓNG VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC Phạm Khắc Vũ, Vũ Hoài Thương, Đặng Trung Đức, Nguyễn Đăng Phú, Lục Huy Hoàng và Nguyễn Văn Hùng Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được tổng hợp thành công bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng. Vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 đã được khảo sát các tính chất trên các thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), phổ khuếch tán phản xạ UV-Vis (DRS) và từ kế mẫu rung (VSM). Kết quả cho thấy vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 không những có khả năng quang xúc tác tốt của Bi2Sn2O7 mà còn có tính chất từ của CoFe2O 4. Hiệu suất quang xúc tác của vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O 4 phân hủy Rhodamine B (RhB) đạt tới 94 % sau 180 phút chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy. Sau khi phân hủy RhB, các vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 có thể dễ dàng thu hồi lại bằng từ trường bên ngoài. Từ khóa: Tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4, hoạt tính quang xúc tác, phân hủy Rhodamine B. 1. Mở đầu Chất quang xúc tác hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy là phương tiện hữu hiệu xử lí môi trường để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước đã thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ [1-3]. Bi2Sn2 O7 được quan tâm nhiều hơn vì các tính chất đặc biệt của nó dùng để tách O2 và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng khả kiến [4-7]. Trong ứng dụng thực tế, hai vấn đề quan trọng của chất quang xúc tác là hiệu quả xúc tác và phân tách các chất xúc tác để thu hồi tái chế [8, 9]. Các vật liệu Bi2Sn2O7 có hoạt tính quang xúc tác cao với kích thước nano dễ dàng được phân tán trong nước, nhưng sau phản ứng khó có thể tách ra và thu hồi lại, mà có thể gây ô nhiễm thứ cấp. Tuy nhiên, việc tách các hạt nano bằng từ là một phương án thuận tiện để giải quyết vấn đề này. Các chất xúc tác có từ tính có thể dễ dàng được thu hồi thông qua một từ trường ngoài. Vật liệu tổ hợp kết hợp những ưu điểm của hoạt tính quang xúc tác cao với việc thu hồi dễ dàng bằng từ tính đã được một số tác giả công bố [10-12]. Yếu tố quan trọng cần được xem xét là trong chế tạo vật liệu tổ hợp quang xúc tác, từ tính của vật liệu phải ổn định trong dung dịch phản ứng dưới ánh sáng chiếu xạ. Cobalt ferrite (CoFe2O4 ) đã được nghiên cứu rộng rãi vì hiệu suất từ điện cao, ổn định hóa học và cấu trúc, độ cứng cơ học cao [13]. Những năm gần đây các vật liệu tổ hợp như TiO2/CoFe2O4, BaFe12O19/CoFe2O4 đã được tổng hợp và chúng có thể được tách ra khỏi dung dịch sau phản ứng quang xúc tác [14, 15]. Ngày nhận bài: 23/2/2017. Ngày nhận đăng: 24/3/2017. Tác giả liên hệ: Nguyễn Văn Hùng, e-mail: hung.nv@hnue.edu.vn 3 Phạm Khắc Vũ, Vũ Hoài Thương, Đặng Trung Đức, Nguyễn Đăng Phú, Lục Huy Hoàng và Nguyễn Văn Hùng Trong bài báo này chúng tôi sử dụng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng để chế tạo tổ hợp Bi2Sn2 O7/CoFe2O4. Khảo sát tỉ phần các thành phần trong vật liệu tổ hợp ảnh hưởng lên cấu trúc, độ rộng vùng cấm, hoạt tính quang xúc tác với RhB và tính chất từ của chúng. Kết quả cho thấy tổ hợp Bi2Sn2O7 /CoFe2O4 có hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB cao dưới ánh sáng khả kiến và có từ tính mạnh nhằm mục đích thu hồi tái sử dụng. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm 2.1.1. Tổng hợp vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 * Chế tạo hạt nano từ CoFe2O4 Hòa tan tương ứng 4,04 g Fe(NO3)3.9H2O và 10,6 g Co(NO3)2.6H2O trong mỗi 50 mL nước cất. Dung dịch Co(NO3)2 được nhỏ chậm từng giọt một vào dung dịch Fe(NO3)3 đang được khuấy từ mạnh ta thu được dung dịch A. Lấy 20 mL dung dịch amoniac (ammonia - NH3 25 - 28%) hòa vào 20 mL nước cất sau đó nhỏ vào dung dịch A. * Quy trình chế tạo bằng hỗ trợ vi sóng Dung dịch được chuyển vào bình thủy tinh trong lò vi sóng. Quá trình đốt nóng bằng sóng vi ba được tiến hành trong 20 phút với công suất 750 W. Dung dịch được để nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng. Sau đó dung dịch được li tâm để thu hồi chất kết tủa, sản phẩm được rửa sạch bằng nước cất và cồn tuyệt đối để loại bỏ tạp chất. Sản phẩm được nung ở 600 oC trong 6 giờ thì thu được hạt nano từ CoFe2O4. * Chế tạo Bi2Sn2O7 Hòa tan tương ứng 4,85 g Bi(NO3)3.5H2 O và 3,51 g SnCl4.5H2O trong mỗi 50 mL nước cất. Hai dung dịch được hòa tan dưới tác dụng của khuấy từ ta thu được dung dịch B. Hỗn hợp được khuấy từ 10 phút và điều chỉnh độ pH = 12 bằng dung dịch NaOH. Tiếp tục tiến hành theo quy trình chế tạo bằng hỗ trợ vi sóng sẽ nhận được vật liệu Bi2Sn2O7. Bảng 1. Khối lượng các hóa chất dùng để tạo vật liệu tổ hợp với các tỉ phần khác nhau Kí hiệu mẫu Khối lượng CoFe2 O4 (g) Khối lượng Bi2Sn2O7 (g) Tỉ lệ khối lượng CoFe2 O4/Bi2Sn2O7 BSO-2.5 CFO 0,096 3,84 2,5 % BSO-5 CFO 0,192 3,84 5% BSO-7.5 CFO 0,288 3,84 7,5 % BSO-10 CFO 0,384 3,84 10 % BSO-12.5 CFO 0,480 3,84 12,5 % BSO-15 CFO 0,576 3,84 15 % * Chế tạo vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 Nhỏ từ từ các lượng dung dịch A khác nhau vào dung dịch B đang được khuấy từ ta thu được dung dịch C với tỉ lệ thành phần CoFe2O4 và Bi2Sn2O7 khác nhau. Độ pH của dung dịch C được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH để đạt được giá trị 12. Dung dịch C được tiến hành theo quy trình chế tạo bằng hỗ trợ vi sóng để nhận được vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7 /CoFe2O4. Các mẫu tổ hợp có tỉ lệ khối lượng khác nhau được thống kê trong Bảng 1 (khối lượng được quy đổi từ thể tích của dung dịch). 4 Tổng hợp vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng và hoạt tính quang xúc tác 2.1.2. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 Vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được khảo sát cấu trúc tinh thể trên nhiễu xạ kế tia X Siemens D5005. Hình thái bề mặt được quan sát trên ảnh hiển vi điện tử quét, phổ hấp thụ của mẫu được đo trên phổ kế Jasco V670, tính chất từ được đo trên từ kế mẫu rung. Hoạt tính quang xúc tác của tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được thử nghiệm phân hủy Rhodamine B (RhB) dưới chiếu sáng của nguồn đèn Xenon 300 W có lọc ánh sáng bước sóng dưới 420 nm. Trong mỗi thí nghiệm, 0,1 g bột xúc tác được hòa tan trong 100 mL dung dịch RhB (1.10-5 mol/L). Trước khi chiếu sáng, dung dịch trên được khuấy từ 1 giờ trong tối để thành lập trạng thái cân bằng hấp phụ - giải hấp giữa chất xúc tác và RhB. Sau mỗi khoảng thời gian chiếu xạ (30 phút), 5 mL chất lỏng được lấy ra từ dung dịch, li tâm và tiến hành phân tích nồng độ RhB ngay. Nồng độ của RhB sau mỗi lần lấy ra được xác định bằng phổ hấp thụ đo trên máy quang phổ UV-Vis Jasco V670. Nồng độ RhB còn lại được đánh giá bằng tỉ số của các đỉnh At/Ao tại bước sóng hấp thụ cực đại của RhB (550 nm). Ở đây At là độ hấp thụ phụ thuộc thời gian còn Ao là độ hấp thụ ban đầu. 2.2. Kết quả và thảo luận Giản đồ nhiễu xạ của Bi2Sn2O7/CoFe2 O4 với tỉ lệ thành phần khác nhau chỉ ra trên Hình 1. Trên đường CFO, các đỉnh nhiễu xạ ở vị trí góc 2θ = 30.0; 35.4; 43.1; 56.9 và 62.5° đặc trưng cho các mặt phản xạ (220); (311); (400); (511); (440) của vật liệu từ CoFe2 O4 có cấu trúc lập phương (JCPDS No. 22-1086). Kết quả này khẳng định phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng đã thành công trong chế tạo vật liệu từ CoFe2O4. Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2 O4 với tỉ lệ Bi2Sn2O7 cao xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ với cường độ mạnh ở vị trí góc 2θ = 28,82; 33,40; 47,95; 56,99o, tương ứng với các mặt phản xạ (222); (400); (440); (622) đặc trưng của vật liệu Bi2Sn2 O7 cấu trúc lập phương tâm mặt (JCPDS No. 87-0284). Trong khi đó thành phần từ CoFe2O4 có tỉ lệ nhỏ nên cường độ đỉnh nhiễu xạ yếu không phát hiện được trong các mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4. Hình 2 trình bày ảnh SEM của các mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 với tỉ lệ thành phần khác nhau. Hạt nano Bi2 Sn2 O7 trong Hình 2a có dạng gần khối cầu với kích thước hạt khoảng 40 nm. Các mẫu vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 do có thêm đóng góp của thành phần từ tính CoFe2O4 vào mẫu Bi2Sn2O7 nên hình thái của các hạt trong mẫu có sự biến đổi so với mẫu vật liệu Bi2Sn2 O7 tinh khiết. Tỉ lệ thành phần từ tính trong mẫu tăng lên, kích thước của các hạt tổ hợp có xu hướng giảm xong các hạt nhỏ lại tụ đám để tạo thành các đám hạt lớn hơn (Hình 2b đến 2e). 5 Phạm Khắc Vũ, Vũ Hoài Thương, Đặng Trung Đức, Nguyễn Đăng Phú, Lục Huy Hoàng và Nguyễn Văn Hùng Hình 2. Ảnh SEM của các mẫu Bi2Sn2O7 tinh khiết (a), mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 có tỉ lệ khối lượng CoFe2O4 5 % (b); 7,5 % (c); 10 % (d), 15 % (e) Tỉ lệ thành phần các nguyên tố có mặt trong mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được phân tích bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) trên Hình 3. (a) (b) Hình 3. Phổ tán sắc năng lượng EDS của tổ hợp Bi2Sn2O7/ CoFe2O4 ứng với tỉ lệ CoFe2 O4 là 10 % (a) và 15 % (b) Kết quả trên hình cho thấy các nguyên tố trong tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2 O4 có tỉ lệ thành phần phù hợp với tỉ lệ của các mẫu chế tạo: tỉ lệ thành phần từ tính của CoFe2O4 trong mẫu (a) và (b) tương ứng là 10 và 15%. Hình 4. Phổ hấp thụ của mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 có tỉ lệ CoFe2O4 khác nhau 6 Tổng hợp vật liệu Bi2Sn2O7/CoFe2O4 bằng phương pháp hóa hỗ trợ vi sóng và hoạt tính quang xúc tác Phổ hấp thụ của các mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 được trình bày trên Hình 4. Phổ hấp thụ của hạt từ CoFe2 O4 cho thấy chúng có khả năng hấp thụ toàn bộ vùng ánh sáng nhìn thấy. Trong khi đó, phổ hấp thụ của Bi2Sn2O7 (BSO) có bờ hấp thụ vào khoảng 480 nm. Bờ hấp thụ của mẫu tổ hợp mở rộng dần về vùng ánh sáng nhìn thấy điều này có thể do sự hấp thụ của CoFe2O4. Tuy nhiên ta thấy bờ hấp thụ của các mẫu này có xu hướng dịch về bước sóng dài. Sự thay đổi này có thể là do 2 vậy liệu này có sự tương tác với nhau. Tính chất từ của tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 là yếu tố quan trọng để ứng dụng thu hồi vật liệu quang xúc tác sau khi phân hủy chất hữu cơ. Hình 5 trình bày các đường từ trễ của CoFe2O4 và tổ hợp Bi2Sn2O7 /CoFe2O4. Từ độ bão hòa của CoFe2O4 tinh khiết khoảng 45 emu/g (Hình chèn) và của tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 khoảng 0; 0,9; 1,8; 2,6; 4,4 và 6 emu/g tương ứng với các mẫu có tỉ lệ CoFe2O4 là 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15 %. Kết quả cũng cho thấy giá trị độ từ dư (Ms) của các mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 tăng lên khi thành phần từ trong mẫu tăng, tuy nhiên giá trị này thấp hơn nhiều so với mẫu CoFe2O4 tinh khiết. Mẫu Bi2Sn2O7 tinh khiết không thể hiện tính sắt từ. Hình 5. Đường từ trễ của mẫu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 có tỉ lệ CoFe2O4 khác nhau Lực kháng từ Hc của các mẫu tổ hợp phụ thuộc vào bản chất của vật liệu từ nên giá trị ít thay đổi khi tăng thành phần CoFe2O4 trong vật liệu tổ hợp. Kết quả trên cho thấy vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 có từ tính vì vậy sau phản ứng quang xúc tác có thể thu hồi vật liệu bằng cách đặt một nam châm vào trong hệ phản ứng. Vì vậy ưu điểm của hệ vật liệu này là vẫn giữ được hoạt tính quang xúc tác tốt, dễ dàng thu hồi sau khi phân hủy chất hữu cơ. Hình 6. Phổ hấp thụ RhB phụ thuộc thời gian dưới tác dụng của vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2 O4 ứng với tỉ lệ khối lượng CoFe2O4 là 10% Hình 7. Độ suy giảm nồng độ RhB phụ thuộc thời gian dưới tác dụng của vật liệu Bi2Sn2O7 tinh khiết và vật liệu tổ hợp Bi2Sn2O7/CoFe2O4 7