Luận án Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C và đánh giá khả năng quang oxi hóa của chúng

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO HỆ ZnO PHA TẠP Mn, Ce, C VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG QUANG OXI HÓA CỦA CHÚNG

Ngành:

Hóa Vô cơ

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng quang oxi hóa của vật liệu nano hệ ZnO pha tạp Mn, Ce, C và vật liệu nanocomposit ZnO pha tạp đồng thời Ce, C trên nền ống nano cacbon đa lớp (MWCNTs). Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ vấn đề ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt từ ngành dệt nhuộm, và hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống. Phương pháp oxy hóa tiên tiến sử dụng chất xúc tác quang bán dẫn ZnO có tiềm năng lớn nhưng bị hạn chế bởi năng lượng vùng cấm lớn (3,27 eV), chỉ hiệu quả dưới ánh sáng cực tím. Mục tiêu của đề tài là cải thiện hoạt tính quang xúc tác của ZnO bằng cách biến đổi tính chất electron, thu hẹp năng lượng vùng cấm và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống thông qua pha tạp kim loại (Mn, Ce) và phi kim (C).

Nội dung nghiên cứu bao gồm tổng hợp các vật liệu nano ZnO pha tạp đơn (Mn, Ce), pha tạp đồng thời (Mn, C; Ce, C) bằng phương pháp đốt cháy và thủy nhiệt, cũng như vật liệu nanocomposit C,Ce-ZnO/MWCNTs bằng phương pháp thủy nhiệt. Các vật liệu được đặc trưng bằng nhiều phương pháp hóa lý hiện đại như DTA-TG, XRD, IR, UV-VIS, SEM, TEM, XPS, BET, EDS. Khả năng quang oxi hóa của chúng được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy xanh metylen (MB) trong nước dưới ánh sáng khả kiến, sử dụng phương pháp UV-VIS và đo nhu cầu oxi hóa học (COD).

Kết quả cho thấy, vật liệu ZnO pha tạp Mn và Ce tổng hợp bằng cả phương pháp đốt cháy và thủy nhiệt đều có cấu trúc đơn pha hexagonal wurtzite, kích thước nanomet, có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến, với hoạt tính quang xúc tác tăng dần. Các vật liệu ZnO pha tạp đồng thời Mn, C và Ce, C cũng được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt, có cấu trúc hexagonal wurtzite, hình dạng elip, kích thước nanomet và khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Hoạt tính quang xúc tác của C,Mn-ZnO gấp 1,3 lần Mn-ZnO và xấp xỉ 1,5 lần ZnO; C,Ce-ZnO gấp xấp xỉ 2,5 lần Ce-ZnO, 3,6 lần ZnO và 2,4 lần C,Mn-ZnO.

Điểm mới của luận án là lần đầu tiên tổng hợp thành công vật liệu quang xúc tác C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt, chứng minh vai trò của pha tạp đồng thời trong việc tăng cường hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến. Đặc biệt, luận án lần đầu tiên tổng hợp thành công vật liệu nano composit C,Ce-ZnO/MWCNTs (CZCT) bằng phương pháp thủy nhiệt. Vật liệu CZCT này thể hiện hoạt tính quang xúc tác rất tốt dưới ánh sáng khả kiến và ánh sáng mặt trời mô phỏng, với hiệu suất phân hủy MB và giảm COD trên 96% sau 120-150 phút. CZCT được xác định là một xúc tác quang có triển vọng cho ứng dụng xử lý chất màu hữu cơ và môi trường nước ô nhiễm, đồng thời có khả năng tái sử dụng cao và ổn định.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài.
  • 1. Mục tiêu của luận án
  • 2. Nội dung nghiên cứu
  • 2.1. Tổng hợp vật liệu.
  • 2.2. Nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu.
  • 2.3. Nghiên cứu khả năng quang oxi hóa của vật liệu.

• CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

  • 1.1. Vật liệu ZnO
    • 1.1.1. Giới thiệu về ZnO
    • 1.1.2. Ứng dụng của ZnO
  • 1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO
    • 1.2.1. Phương pháp thủy nhiệt
    • 1.2.2. Phương pháp đốt cháy.
  • 1.3. Vật liệu ZnO pha tạp
    • 1.3.1. Vật liệu ZnO pha tạp
    • 1.3.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu quang xúc tác ZnO và ZnO pha tạp.
  • 1.4. Xúc tác quang hóa
    • 1.4.1. Xúc tác quang ZnO
    • 1.4.2. Xúc tác quang ZnO pha tạp

• CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

  • 2.1. Tổng hợp vật liệu.
    • 2.1.1. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Mn và ZnO pha tạp Ce
      • 2.1.1.1. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Mn và ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp đốt cháy
      • 2.1.1.2. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Mn và ZnO pha tạp Ce bằng phương pháp thủy nhiệt.
    • 2.1.2. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp đồng thời Mn, C và ZnO pha tạp đồng thời Ce, C bằng phương pháp thủy nhiệt.
    • 2.1.3. Tổng hợp vật liệu nano composit ZnO pha tạp đồng thời Ce và C trên nền ống nanocacbon đa lớp (Ce,C-ZnO/MWCNTs) bằng phương pháp thủy nhiệt.
  • 2.2. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu.
  • 2.3. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu.
    • 2.3.1. Phản ứng quang xúc tác phân hủy MB của các vật liệu.
    • 2.3.2. Xác định động học phản ứng quang xúc tác.
    • 2.3.3. Phương pháp đo nhu cầu oxy hóa học (COD) TCVN 6491:1999.

• CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

  • 3.1. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp mangan và ZnO pha tạp xeri.
    • 3.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD).
    • 3.1.2. Kết quả phổ hồng ngoại
    • 3.1.3. Kết quả SEM, TEM.
    • 3.1.4. Kết quả UV-VIS
    • 3.1.5. Hoạt tính quang xúc tác của ZnO pha tạp Ce và ZnO pha tạp Mn.
    • 3.1.6. Động học phản ứng phân hủy MB của Mn-ZnO và Ce-ZnO được tổng hợp bằng hai phương pháp khác nhau.
  • 3.2. Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp đồng thời Mn, C (C,Mn-ZnO) và vật liệu ZnO pha tạp đồng thời C, Ce (C,Ce-ZnO).
    • 3.2.1. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD).
    • 3.2.2. Kết quả phổ hồng ngoại.
    • 3.2.3. Kết quả SEM của C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO.
    • 3.2.4. Kết quả UV-VIS và XPS của C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO.
    • 3.2.5. Kết quả XPS của C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO
    • 3.2.6. Hoạt tính quang xúc tác của ZnO-Mn,C và ZnO-Ce,C.
      • 3.2.6.1. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO
      • 3.2.6.2. Động học phản ứng phân hủy MB của C,Mn-ZnO và C,Ce-ZnO.
  • 3.3. Tổng hợp vật liệu composit Ce,C-ZnO/MWCNTs.
    • 3.3.1. Nghiên cứu đặc trưng tính chất của vật liệu Ce,C-ZnO/MWCNTs (CZCT).
    • 3.3.2. Hoạt tính quang xúc tác của CZCT.
      • 3.3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng MWCNTs đến hoạt tính quang xúc tác của CZCT.
      • 3.3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu CZCT.
      • 3.3.2.3. Ảnh hưởng của pH.
      • 3.3.2.4. Kiểm tra khả năng tái sử dụng của vật liệu.
      • 3.3.4.5. Cơ chế phản ứng phân hủy MB của vật liệu composit CZCT.
      • 3.3.2.6. Thực hiện phản ứng quang xúc tác trên thiết bị mô phỏng ánh sáng mặt trời.

• KẾT LUẬN CHUNG

  • 1. [Kết luận về ZnO pha tạp Mn, Ce bằng phương pháp đốt cháy]
  • 2. [Kết luận về ZnO pha tạp Mn, Ce bằng phương pháp thủy nhiệt]
  • 3. [Kết luận về ZnO pha tạp đồng thời C,Mn và C,Ce bằng phương pháp thủy nhiệt]
  • 4. [Kết luận về vật liệu nano composit Ce,C-ZnO/MWCNTs]

• ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

  • 1. [Điểm mới về tổng hợp C,Mn-ZnO, C,Ce-ZnO]
  • 2. [Điểm mới về tổng hợp C,Ce-ZnO/MWCNTs]

• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

  • 1. Nguyễn Xuân Dũng, Lưu Thị Việt Hà, Nghiên cứu tổng hợp oxit ZnO pha tạp Mn kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy, Tạp chí hóa học, 2013, 51 (2AB), tr 374 – 378.
  • 2. Nguyễn Xuân Dũng, Lưu Thị Việt Hà, Nguyễn Thị Mai Thơ, Phân hủy chất màu hữu cơ trong nước bằng xúc tác quang ZnO pha tạp Mn kích thước nanomet, Tạp chí hóa học, 2013, 51 (4AB), tr 85 - 90.
  • 3. Luu Thi Viet Ha, Luu Minh Đai, Dao Ngoc Nhiem, Nguyen Van Cuong, Enhanced Visible-Light Photocatalytic Activity of C/Ce-codoped ZnO Nano-ellipsoids Synthesized by Hydrothermal Method, Journal of Electronic Materials, 2016, 45 (8), pp 4215 – 4220 (SCI).
  • 4. Lưu Minh Đại, Lưu Thị Việt Hà, Đào Ngọc Nhiệm, Tổng hợp vật liệu nanoelipsoids C/Mn-ZnO với sự tăng cường hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy, Tạp chí hóa học, 2017, 55 (3e12), tr 1-7.
  • 5. Luu Thi Viet Ha, Luu Minh Dai, Dao Ngoc Nhiem, Nguyen Quynh Thao, Nguyen Van Cuong, Effect of temperature on preparation of nanoelipsoids C,Ce-codoped ZnO with photocatalytic enhancement under visible light, Tạp chí hóa học, 2017, 55 (3e12), tr 321-326.