Thạc Sĩ Điều chế NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet và định hướng ứng dụng

MỞ ĐẦU
Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển, bùng nổ. Các chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền kinh tế thế giới.
Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh vực này như : phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) Điều này sẽ tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu vật liệu nano thành nhiệm vụ hàng đầu.
Vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bền cơ học cao, tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông cũng như sinh học, y học và môi trường.
NiO và NiFe2O4 (spinen) có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm xúc tác chuyển hoá trong hữu cơ, các quá trình Reforming, vật liệu từ, làm sensor đo khí, NiO, NiFe2O4 có diện tích bề mặt lớn với kích thước cỡ vài chục nm nên có khả năng làm vật liệu xúc tác, hấp phụ cho các quá trình chuyển hoá hoàn toàn các khí độc hai CO, VOCs
Vì NiO, NiFe2O4 có nhiều ứng dụng cho nên việc tìm ra một phương pháp tổng hợp hiệu quả với cách thức tiến hành đơn giản cho sản phẩm có kích thước mong muốn là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ bản luận văn này, chúng tôi tiến hành tổng hợp NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet và nghiên cứu khảo sát hoạt tính của vật liệu nano này.



Mục lục
Trang
Lời cảm ơn
Mục lục i
Mục lục các bảng ii
Mục lục các hình iii
Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt viii
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan 2
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 2
1.1.1. Một số khái niệm 2
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 5
1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 8
1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 8
1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 9
1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 9
1.2.4. Phương pháp sol – gel 10
1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 11
1.3. Vật liệu NiO và NiFe2O4 kích thước nanomet 12
1.3.1. Tổng hợp vật liệu 12
1.3.1.1. Vật liệu NiO 12
1.3.1.2. Vật liệu NiFe2O4 13
1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet 14
1.3.2.1. Oxi hoá CO 15
1.3.2.2. Xử lí H2S 16
1.3.2.3. Oxi hoá các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 16
Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 17
2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 17
2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 17
2.1.2. Tổng hợp NiO và NiFe2O4 kích thước nano 18
2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 19
2.3. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác 23
2.3.1. Sơ đồ thiết bị phản ứng 23
2.3.2. Điều kiện thực hiện phản ứng 25
2.3.3. Các tham số cần xác định 25
2.3.3.1. Tốc độ không gian thể tích 25
2.3.3.2. Thông số động học 26
2.4. Phương pháp hấp phụ 27
2.4.1. Khái niệm chung 27
2.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 28
2.4.3. Phương trình động học hấp phụ 29
2.4.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 30
2.5. Phương pháp xác định ion kim loại trong dung dịch 32
Chương 3. Kết quả và thảo luận 34
3.1. Tổng hợp vật liệu NiO 34
3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34
3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 35
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 37
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 38
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 40
3.1.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 41
3.1.6. Một số đặc trưng của mẫu NiO tối ưu 41
3.2. Tổng hợp vật liệu NiFe2O4 42
3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt 43
3.2.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 45
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 46
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 48
3.2.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 49
3.2.6. Phân tích thành phần hoá học 49
3.2.7. Một số đặc trưng của mẫu NiFe2O4 tối ưu 49
3.3. Định hướng ứng dụng NiO, NiFe2O4 kích thước nano 50
3.3.1. Xúc tác oxi hoá VOCs 50
3.3.2. Khả năng hấp phụ As (III) trên vật liệu 56
3.3.2.1. Vật liệu hấp phụ NiO 56
3.3.2.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 56
3.3.2.1.2. Khả năng hấp phụ asen của NiO theo mô hình Langmuir 57
3.4.2. Vật liệu hấp phụ NiFe2O4 59
3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 59
3.4.2.2. Khả năng hấp phụ asen của NiFe2O4 theo mô hình Langmuir 60
Kết luận chính 63
Danh mục các công trình của tác giả 64
Tài liệu tham khảo 65
Phụ lục 70


Mục lục các bảng
Trang
Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu NiFe2O4 49
Bảng 2.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiO theo thời gian và nhiệt độ 51
Bảng 3.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiFe2O4 theo thời gian và nhiệt độ 52
Bảng 3.4. Độ chuyển hoá etanol trên NiO và NiFe2O4 theo nhiệt độ 54
Bảng 3.5. Thành phần (% thể tích) của các khí có trong hỗn hợp khí sản phẩm 55
Bảng 3.6. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiO 56
Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiO ở nồng độ khác nhau 57
Bảng 3.8. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiFe2O4 59
Bảng 3.9. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiFe2O4 ở nồng độ khác nhau 60

Mục lục các hình
Trang
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu 18
Hình 2.2. Sơ đồ hệ phản ứng vi dòng đo xúc tác 23
Hình 2.3. Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C1 > C2) 30
Hình 2.4. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc Cf/q vào Cf 32
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiO 34
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 36
Hình 3.3. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 37
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel Ni-PVA nung ở 600oC 38
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel Ni-PVA nung ở 600oC 39
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel Ni-PVA nung ở 600oC 40

Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu NiO 41
Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiFe2O4 42
Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe2O4 43
Hình 3.10. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe2O4 44
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel 46
Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel (Ni2++Fe3+)-PVA nung ở 500oC 47

Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel (Ni2++Fe3+)-PVA nung ở 500oC 48
Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu NiFe2O4 49
Hình 3.15. Độ chuyển hoá etanol trên NiO theo thời gian và nhiệt độ 51
Hình 3.16. Độ chuyển hoá etanol trên NiFe2O4 theo thời gian và nhiệt độ 52
Hình 3.17. Độ chuyển hoá etanol trong 150 phút trên vật liệu xúc tác theo nhiệt độ 54
Hình 3.18. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiO 57
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiO 58
Hình 3.20. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiFe2O4 60
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiFe2O4 61

Các chữ, ký hiệu viết tắt
XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X
TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM Kính hiển vi điện tử quét
SPM Kính hiển vi đầu dò quét
ASM Kính hiển vi nguyên tử lực
CS Tổng hợp đốt cháy
SHS Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng
VOCs Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
PVA Poly vinyl alcohol
TGA Phân tích nhiệt trọng lượng
FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
BET Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ
IR Phương pháp phổ hồng ngoại
GHSV Tốc độ không gian thể tích
KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol