Thạc Sĩ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TẠP HÓA NITƠ LÊN TiO2 ĐẾN KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA TiO2 TỔNG HỢP BẰN

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TẠP HÓA NITƠ LÊN TiO[SUB]2[/SUB] ĐẾN KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA TiO[SUB]2[/SUB] TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐUN HỒI LƯU

MỞ ĐẦU
Kể từ khi Frank và Bard sử dụng khả năng quang oxi hóa mạnh của TiO2 để
xử lí chất ô nhiễm lần đầu tiên, cho đến nay TiO2 đã thu hút rất nhiều sự chú ý của
các nhà khoa học bởi khả năng quang xúc tác, bền vững, ổn định hóa học, không bị
ăn mòn dưới tác dụng của ánh sáng và hoá học, không độc hại, giá không đắt. TiO2
được sử dụng nhiều trong xử lí nước và nước thải như xử lí chất ô nhiễm hữu cơ; xử
lí các chất độc vô cơ; diệt khuẩn và khử trùng.
Một trong các nhược điểm của TiO2 khiến cho việc sử dụng nó bị hạn chế là
năng lượng vùng cấm Eg của nó khá lớn (Eg= 3.2 eV với cấu trúc anatase) nên TiO2
chỉ hoạt động quang hóa trong vùng UV, tức là chỉ một phần rất nhỏ của năng
lượng mặt trời. Để mở rộng khả năng ứng dụng của TiO2, người ta đã áp dụng nhiều
cách khác nhau để hạ thấp Eg của nó, tức là thay đổi độ nhạy quang của nó từ vùng
UV sang vùng khả kiến. Phương pháp được quan tâm nhiều nhất là pha tạp (doping)
các nguyên tố hóa học khác lên TiO2. Nhiều ion kim loại khác nhau đã được đưa
vào TiO2 nhằm làm tăng hoạt tính quang hóa của nó. Bên cạnh đó, sự pha tạp các
phi kim vào TiO2 cũng được nghiên cứu rộng rãi vì một số kết quả cho thấy phi kim
có thể thích hợp hơn cation kim loại cho việc mở rộng hoạt tính quang xúc tác trong
vùng khả kiến. Trong số đó, TiO2-N được biết đến là một xúc tác quang trong vùng
khả kiến đầy hứa hẹn.
Chính vì thế, trong đề tài này, tác giả sẽ khảo sát ảnh hưởng của sự tạp hóa N
lên TiO2 đến khả năng xúc tác quang hóa của TiO2 với mong muốn sẽ tạo ra các
mẫu TiO2-N có hoạt tính xúc tác quang cao, đặc biệt là dưới bức xạ khả kiến, nhằm
tận dụng phần lớn nguồn năng lượng của bức xạ mặt trời.

MỤC LỤC
MỤC LỤC .i
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU .iv
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ .v
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN 2
1.1 Giới thiệu về TiO2 2
1.1.1 Các dạng thù hình và cấu trúc tinh thể của TiO2 .2
1.1.2 Sự chuyển dạng thù hình từ anatase sang rutile .4
1.1.3 Tính chất vật lí và hóa học của TiO2 .5
1.1.4 Tính chất xúc tác quang hóa của TiO2 trong môi trường nước 6
1.1.5 Ứng dụng của TiO2 .10
1.1.6 Sơ lược về một số phương pháp điều chế TiO2 .13
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2 17
1.2.1 Bản chất xúc tác – phương pháp điều chế .18
1.2.2 Điều kiện tiến hành phản ứng quang xúc tác .20
1.3 Một số phương pháp cải thiện xúc tác TiO2 22
1.3.1 Cố định TiO2 23
1.3.2 Biến tính hóa học TiO2 .24
1.4 Sơ lược về một số phương pháp điều chế TiO2 doping N 28
1.4.1 Phương pháp sol-gel .28
1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt 29
1.4.3 Phương pháp thủy phân 29
Chương 2: THỰC NGHIỆM .31
2.1 Mục tiêu thực nghiệm .31
2.2 Phương pháp thực nghiệm 31
ii
2.2.1 Điều chế mẫu .31
2.2.2 Khảo sát tính chất của các mẫu điều chế .31
2.3 Điều chế mẫu 32
2.3.1 Thiết bị .32
2.3.2 Hóa chất .32
2.3.3 Pha và hiệu chỉnh các dung dịch cần thiết .33
2.3.4 Điều chế các mẫu .35
2.4 Xác định đặc tính hóa lý của các mẫu xúc tác .39
2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 39
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường .40
2.4.3 Phổ tán xạ năng lượng 40
2.4.4 Phổ hồng ngoại dùng phép biến đổi Fourier 41
2.4.5 Phổ phản xạ khuếch tán 41
2.4.6 Phương pháp BET 41
2.5 Phương pháp xác định hoạt tính quang xúc tác của các mẫu 42
2.5.1 Nguyên tắc .42
2.5.2 Dựng đường chuẩn MB 43
2.5.3 Khảo sát sự phân hủy màu của MB khi không có xúc tác .44
2.5.4 Khảo sát cân bằng hấp phụ MB của các mẫu xúc tác TiO2 45
2.5.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của các mẫu 45
Chương 3: KẾT QUẢ 47
3.1 Kết quả khảo sát các đặc tính hóa lý của mẫu .47
3.1.1 Phổ XRD của các mẫu xúc tác 47
3.1.2 Diện tích bề mặt riêng của các mẫu xúc tác 49
3.1.3 Ảnh FE-SEM của các mẫu .50
3.1.4 Phổ phản xạ khuếch tán của các mẫu 54
3.1.5 Phổ FT-IR của các mẫu xúc tác 55
3.1.6 Phổ tán xạ năng lượng của các mẫu xúc tác 56
3.2 Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu 58
iii
3.2.1 Đường chuẩn MB .58
3.2.2 Kết quả khảo sát sự phân hủy màu của MB khi không có xúc tác .58
3.2.3 Kết quả khảo sát cân bằng hấp phụ MB của các mẫu TiO2 .59
3.2.4 Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của các mẫu dưới bức xạ UVA 61
3.2.5 Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của các mẫu dưới bức xạ Vis .66
Chương IV: KẾT LUẬN 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .72
PHỤ LỤC 77
Phụ lục 1 Phổ XRD của các mẫu 77
Phụ lục 2 Kết quả khảo sát quá trình hấp phụ MB của các mẫu 87
Phụ lục 3 Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu bằng sự phân
hủy màu của MB dưới bức xạ UVA .89
Phụ lục 4 Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác các mẫu dưới bức xạ Vis 94
Phụ lục 5 Phổ DRS của các mẫu .99
Phụ lục 6 Phổ FT-IR của các mẫu 100
Phụ lục 7 Kết quả C, lnC, 1/C theo thời gian t của các mẫu dưới bức xạ UVA 102
Phụ lục 8 Kết quả C, lnC, 1/C theo thời gian t của các mẫu dưới bức xạ Vis 106
Phụ lục 9 Đồ thị lnC của các mẫu theo t (phản ứng bậc 1) dưới bức xạ UVA và
Vis 111