Ta2O5 PHA tạp NITƠ

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG LÀM
CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
Ta2O5 PHA TẠP NITƠ

Học viên thực hiện:
Người hướng dẫn khoa học:

Trương Thị Mỹ Trúc
PGS.TS. Võ Viễn


CẤU TRÚC LUẬN VĂN

1- Lý do chọn đề tài

2- Mục tiêu nghiên cứu

3- Nội dung nghiên cứu

4- Phương pháp nghiên cứu

5- Kết quả - Thảo luận


1. Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm
môi trường
Sử dụng được năng lượng mặt trời

Ô nhiễm nước
Thân thiện với môi trường, có khả
năng tái sinh
Xúc tác
Xử lý
môi trường nước

quang
Chi phí sản xuất thấp

Tạo được các tác nhân oxi hóa rất mạnh


Cơ chế xúc tác quang

E= hν

+
C (chất bán dẫn) + hν → e CB + h VB
Cơ chế phản ứng xảy ra như sau:
+
hVB
+ H 2O → HO • + H +

−
hv

eCB
+ O2 
→ •O2−

2 •O2− + 2 H 2O → H 2O2 + 2 HO − + O2
−
H 2O2 + eCB
→ HO • + HO −
+
hVB
+ HO − → HO •


Vật liệu Ta2O5

1. Ưu điểm: Ta2O5 tạo được các lớp bao phủ khá tốt và ổn định nhiệt, có hoạt tính cao
trong việc phân hủy các phân tử hợp chất hữu cơ dưới sự bức xạ tia cực tím nên vật liệu
này có tính năng quang xúc tác hiệu quả..

Hình 1.1. Dạng bề ngoài của Tantan (V)
oxit

2. Nhược điểm: Năng lượng vùng cấm còn cao (Eg ~ 3,8eV); sự tái kết hợp
+
nhanh giữa eCB và hVB quang sinh → làm giảm hiệu suất của xúc tác quang.

3. Hướng khắc phục:

- Giảm năng lượng vùng cấm → pha tạp (nitơ).
► “Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng làm chất xúc tác quang của vật liệu Ta 2O5 pha tạp Nitơ”.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Tổng hợp và biến tính vật liệu Ta2O5 có hoạt tính xúc tác quang hiệu quả trong vùng ánh sáng khả kiến cho
phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại có trong nước.

Phản ứng khử
Vi
sib
le

l ig

ht

eCB eCB eCB
eCB eCB eCB

CB

2,7eV
3,8eV

Ta2O5
g-C3N4
+
+
+
hVB hVB hVB

+
+
+
hVB hVB hVB

VB

Phản
Phản ứng
ứng oxi
oxi hóa
hóa


3. Nội dung chính của đề tài

♦ Tổng hợp vật liệu

♦ Đặc trưng vật liệu

♦ Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu dưới chiếu xạ của ánh
sáng khả kiến


4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Tổng hợp vật liệu
4.1.1. Tổng hợp vật liệu xúc tác g-C3N4
o
Nung 500 C

Melamin

g-C3N4
1h

4.1.2. Tổng hợp Ta2O5 vô định hình có cấu trúc mao quản

+ P123
Etanol

+ TaCl5
Dung dịch B

Dung dịch A
Khuấy tan

+ urê

Khuấy tan

o
Sấy 60 C
Chất keo D

Nung

5 ngày

Nung
Chất rắn G

Chất rắn F
o
500 C 4h

Chất keo D

Dung dịch C
Khuấy 1h

Chất rắn E
24h

Để yên

o
550 C 6h

(kí hiệu A-Ta2O5)


4.1.3. Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5 mao quản trung bình pha tạp nitơ

A-Ta2O5

+ melamin

Nung

n= 1,2,3 : số lần xử lí melamin

Chất rắn (nN-A-Ta2O5)

o
500 C 1h

(Tỉ lệ 1:3)

4.1.4. Tổng hợp vật liệu xúc tác Ta2O5 mao quản trung bình
Nung

pha tạp nitơ
n= 1,2,3 : số lần xử lí

Chất rắn (nN-A-Ta2O5 -650)

nN-A-Ta2O5

o
650 C 2h

melamin

4.1.5. Tổng hợp vật liệu xúc tác compozit g-C3N4/Ta2O5
Nung

Ta2O5

+ melamin
(Tỉ lệ 1:3)

Chất rắn (N-Ta2O5)
o
500 C 1h


4.2. Đặc trưng vật liệu

Nhiễu xạ tia X (XRD)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ UV-Vis trạng thái rắn

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Phương pháp phân tích nhiệt TG-DTA

Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ NiTơ


4.3. Đánh giá hoạt tính
xúc tác quang


5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1. Đặc trưng vật liệu g-C3N4
5.1.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)

(002)

o
13,4 (100)

Cacbon nitrua có cấu

trúc lớp kiểu graphit (gC3N4)

g- C3N4

Hình 3.1.Hình ảnh vật liệu g-C3N4

Hình 3.2.Giản đồ XRD của vật liệu g-C3N4

•

o
Với 2θ = 27,3 tính được d002 = = 3,3 Å- bề dày của 1 tấm.
Xác nhận sự có mặt các pic đặc trưng của g-C 3N4 tổng hợp từ melamin.


5.12. PHƯƠNG PHÁP TEM

Hình 3.3. Ảnh TEM của vật liệu g-C3N4

5.13. PHƯƠNG PHÁP SEM

Hình 3.4. Ảnh SEM của vật liệu g-C3N4

* Hình ảnh TEM cho thấy hình dạng các tấm xếp chồng lên nhau, giữa các lớp có một khoảng cách được phân lập rõ
ràng, đặc điểm này hình thành nên mạng lưới không gian đặc trưng theo kiểu kiến trúc lớp graphit của g-C 3N4
* Hình ảnh SEM cũng chỉ ra đặc trưng kiểu lớp của vật liệu g-C 3N4.


5.1.4 PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (IR)

Dao động kéo dài của amin thứ cấp
và sơ cấp và các phân tử liên kết
Lk C-N vòng thơm

hiđro

νC-N( Nsp3)
νC=N

Hình 3.5. Phổ hồng ngoại của g-C3N4


5.1.5. PHỔ UV-Vis trạng thái rắn

Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn của vật liệu g-C 3N4

Hình 3.7. Đồ thị sự phụ thuộc hàm Kubelka – Munk theo năng lượng ánh
sáng bị hấp thụ của mẫu g-C3N4


5.2. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU Ta2O5 BIẾN TÍNH
5.2.1. Vật liệu A-Ta2O5
Nhiễu xạ tia X(XRD)

Hệ thống mao quản với độ
trật tự kém

Cường độ bé

Vô định hình, độ tinh thể
kém
Cường độ bé và rộng

Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của A-Ta2O5
(a) góc bé, (b) góc lớn


5.2.1. Vật liệu A-Ta2O5
Hấp phụ- giải hấp phụ Nitơ

IV(IUPAC)

Cấu trúc mao quản trung bình

đường kính mao quản không lớn

Đường trễ không rõ ràng

Hình 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N 2 của A-Ta2O5


5.2.1. Vật liệu A-Ta2O5
Hấp phụ- giải hấp phụ Nitơ

Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của hấp phụ N2 trên vật
liệu

Hình 3.11. Đồ thị phân bố kích thước mao quản theo phương pháp BJH của vật
liệu A-Ta2O5

2
Tuân theo quy luật đẳng nhiệt BET rất tốt với Sr khoảng 57,86 m /g và D khoảng 3-5 nm.


5.2.1. Vật liệu A-Ta2O5
Phương pháp TEM

Kích thước chưa đồng đều
3-5nm

Hình 3.12. Hình ảnh TEM của vật liệu A-Ta 2O5


5.2.2. Vật liệu composit g-C3N4/A-Ta2O5

Hình 3.13. Hình ảnh của các vật liệu tổng hợp

Sau khi thu được vật liệu mao quản trung bình A-Ta 2O5, sử dụng vật liệu này để biến tính bởi nung với melamin
lần thứ nhất, ký hiệu là 1N-A- Ta2O5, sau đó dùng 1N-A- Ta2O5 nung với melamin một lần nữa, mẫu được ký hiệu
là 2N-A- Ta2O5. Để so sánh, dùng Ta2O5 thương mại nung với melamin, mẫu ký hiệu là 1N- Ta 2O5


5.2.2. Vật liệu composit g-C3N4/A-Ta2O5

Nhiễu xạ tia X (XRD)

22,9

o
28,4

o

36,7

27,4

o

o
46,8

55,5

o
49,8

g-C3N4

Hình 3.14. Giản đồ XRD của các mẫu
A-Ta2O5 biến tính

o
50,8

o

o


Hiển vi điện tử quét (SEM)

kích thước không đồng

g -C3N4 hình thành

đều, kết dính với nhau

bao bọc trên các hạt
của hình (a)

hạt vỡ vụn ra (phản
ứng ngưng tụ melamin
xảy ra trên bề mặt các

một lớp

hạt trong hình b)

g-C3N4 trên các hạt
Ta2O5 thương mại.

Hình 3.15. Ảnh SEM của các mẫu A- Ta2O5(a), 1N-A- Ta2O5 (b),
2N-A- Ta2O5 (c) và 1N- Ta2O5 (d)

Phổ hồng ngoại (IR)

νC=N

Lk Ta-O

Lk Ta-O

g-C3N4

Hình 3.16. Phổ hồng ngoại của vật liệu A-Ta 2O5; 1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5 và
1N-Ta2O5

νC-N( Nsp3)


Phổ UV-Vis trạng thái rắn
Bảng 3.1. Năng lượng vùng cấm của các vật liệu

Mẫu vật liệu

Đỉnh pic hấp thụ (nm)

Eg (eV)

A-Ta2O5

319.5

3.88

1N-A-Ta2O5

449.2

2.76

2N-A-Ta2O5

449.2

2.76

1N-Ta2O5

765

1.62

Vật liệu sau khi biến tính Eg giảm 3,88 eV(A-Ta2O5 )→
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn phổ UV-Vis trạng thái rắn của các vật liệu A-Ta 2O5;
1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5, 1N-Ta2O5

2,76 eV
(1N-A-Ta2O5, 2N-A-Ta2O5)


Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)

Hình 3.18. Đường TG-DTA của vật liệu A-Ta 2O5