Thạc Sĩ Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên cơ sở TiO2 và vật liệu khung cơ kim (MOF)

MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm g n đ y, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kinh tế như công nghiệp, nông nghiêp, các ngành nghề thủ công trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã và đang đem lại sự thay đổi mạnh mẽ đời sống của người dân với chất lượng cuộc sống ngày càng nâng cao. Tuy nhiên, bên cạnh những hoạt động tích cực mà kinh tế mang lại vẫn tồn tại những ảnh hưởng không tốt đến cuộc sống và xã hội loài người cũng như động – thực vật. Những ảnh hưởng này đã và đang g y nên ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước do các chất thải công nghiệp và lượng hóa chất sử dụng trong nông nghiệp thông qua các sản phẩm như thuốc trừ sâu, phân bón, rác thải từ sinh hoạt. Ô nhiễm nguồn nước là một trong những vẫn đề nghiêm trọng và cấp bách không chỉ ở một vài quốc gia mà trên toàn c u đang ngày càng đe dọa đến cuộc sống và sức khỏe của chúng ta vì h u hết các sông, ngòi, ao hồ ở trong các khu đô thị lớn đông d n cư bị ô nhiễm nặng nề. Đáng ch ý là sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ độc và khó bị phân hủy có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và gây nhiễm độc cấp tính mãn tính cho cơ thể con người cũng như sinh vật như: phenol các hợp chất của phenol, các loại thuốc nhuộm, Rhodamin Do vậy việc xử lý và loại bỏ các loại chất này là rất c n thiết và cấp bách trong thế kỉ này. Do tính cấp thiết của vấn đề này mà vài thập kỉ g n đ y các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu thiết lập các quy trình công nghệ xử lý nguồn nước ô nhiễm hoặc chế tạo các vật liệu để loại bỏ các chất độc hại trong nguồn nước. Do vậy, nhiều phương pháp xử lý đã được ra đời điển hình như: phương pháp hấp thụ phương pháp sinh học phương pháp oxi hóa khử phương pháp oxi hóa nâng cao Trong các phương pháp trên phương pháp oxi hóa n ng cao có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả xử lý cao, khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hại và được quan tâm ứng
dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp oxi hóa n ng cao trong xử lý môi trường, TiO2 với vai trò một chất xúc tác quang hóa tiêu biểu đã được nhiều quốc gia phát triển như Mĩ Nhật Bản, Đức trên thế giới nghiên cứu. Do các ưu điểm nổi bật của TiO2 như giá thành rẻ, bền trong những điều kiện môi trường khác nhau không độc hại, không gây nhiễm thứ cấp. Khả năng quang x c tác của TiO2 thể hiện ở ba hiệu ứng: quang khử nước trên TiO2, tạo bề mặt siêu thấm nước và quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ dưới ánh sáng tử ngoại (có bước λ < 380 nm). Vì vậy hiện nay vật liệu TiO2 đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý môi trường nước và khí với vai trò xúc tác quang hóa. Tuy nhiên, TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn 3.2 eV đối với TiO2 anatase và 3.05 đối với pha rutile do đó nó chủ yếu nhận kích thích trong vùng ánh sáng tử ngoại. Trong phản ứng quang xúc tác TiO2 chỉ sử dụng được từ 3- 5% năng lượng mặt trời. Để làm tăng hiệu suất của phản ứng quang xúc tác củ TiO2, nhiều các giải pháp khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng. Chẳng hạn như: đưa kim loại hoặc phi kim vào cấu trúc của TiO2 tăng diện tích bề mặt . Bên cạnh sự phát triển của vật liệu truyền thống, một loại vật liệu mới là vật liệu khung lai kim loại, hữu cơ (Metal Organic Framework-MOF) thu h t được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do những đặc tính hấp dẫn và tiềm năng ứng dụng lớn của chúng trong thực tế như dự trữ khí, xúc tác, cảm biến, phân phối thuốc, phân tách khí Hàng năm có hàng nghìn các công trình khoa học công bố liên quan đến vật liệu này. Trong đó một số nghiên cứu chỉ ra khả năng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu này là rất cao thậm chí còn cao hơn một số các vật liệu truyền thống như TiO2 thương mại Degussa. Một điểm khá đặc biệt của vật liệu khung cơ kim xuất phát từ cấu trúc khung rỗng nên cấu tr c cũng như tính chất vật lý của nó có thể thay đổi hoàn toàn phụ thuộc vào sự có mặt của các phân tử được hấp thụ trong khung, cả kể tính chất quang xúc tác cũng vậy. Vì vậy để phát huy những đặc tính hấp dẫn của vật liệu MOF và làm tăng khả năng x c tác của vật liệu TiO2 tôi kết hợp giữa TiO2 và MOF để tạo nên vật liệu quang xúc tác mới có khă năng ph n hủy chất màu tốt, trong luận văn này tôi sử dụng chất màu điển hình là xanh methylene (methylene blue-MB). Vì vậy, dựa trên những cơ sở khoa học và thực tiễn tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác trên cơ sở TiO2 và vật liệu khung cơ kim (MOF)”

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU 4
DANH MỤC HÌNH VẼ . 4
MỞ ĐẦU . 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 10
1.1. Vật liệu quang xúc tác 10
1.1.1. Cơ chế và điều kiện của phản ứng quang xúc tác . 10
1.1.2. Vật liệu TiO2 . 12
1.1.3. Cơ chế quang xúc tác của TiO2 16
1.2. Vật liệu khung cơ kim (metal-organic framework) . 17
1.2.1. Giới thiệu 17
1.2.2. Đặc điểm, tính chất và tiềm năng ứng dụng của MOF . 18
1.2.2.1. Tính chất của vật liệu . 20
1.2.2.2. Tiềm năng ứng dụng của MOF 22
1.2.2.2.1 MOF làm vật liệu lưu trữ, tách lọc khí . 22
1.2.2.2.2 MOF làm vật liệu xúc tác . 23
1.2.2.2.3 MOF làm vật liệu huỳnh quang và cảm biến . 24
1.2.2.2.4 MOF làm vật liệu mang thuốc . 27
1.2.2.2.5 MOF làm vật liệu quang xúc tác . 29
1.2.3. Vật liệu MOF CuBTC . 30
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 33
2.1. Quá trình thí nghiệm . 33
2.1.1. Hóa chất và các thiết bị thí nghiệm 33
2.1.1.1. Hóa chất 33
Phùng Thị Thu Luận văn thạc sĩ – ĐH KHTN
2
2.1.1.2. Thiết bị 33
2.1.2. Phương pháp thí nghiệm 33
2.1.3. Quy trình thí nghiệm . 34
2.1.3.1. Chế tạo mẫu . 34
2.1.3.2. Thực hiện phản ứng quang xúc tác 36
2.2. Các phép đo 37
2.2.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (X-Ray) . 37
2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) . 39
2.2.3. Phép đo phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 40
2.2.4. Phép đo phổ hồng ngoại . 41
2.2.5. Phép đo phổ hấp thụ UV-vis . 42
2.2.6. Phép đo diện tích bề mặt riêng BET 43
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 47
3.1.Phân tích các kết quả về tổng hợp vật liệu CuBTC và CuBTC@TiO2 . 47
3.1.1 Thiết kế quy trình tổng hợp vật liệu quang xúc tác 47
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc của vật liệu 48
3.1.3. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ đưa tiền chất chứa Titan vào khung 54
3.2. Hoạt tính quang xúc tác của CuBTC@TiO2 57
3.2.1. Phương pháp đo đạc hiệu ứng quang xúc tác 57
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp vật liệu lên hoạt tính quang xúc tác 59
3.2.3. Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo lên hoạt tính quang xúc tác 62
KẾT LUẬN . 67
Tài liệu tham khảo . 68