Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano SrTiO3 (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGÔ HUY HẢI

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT
TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO SrTiO3
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. BÙI ĐỨC NGUYÊN

THÁI NGUYÊN - NĂM 2017

i


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và chưa hề được sử dụng trong bấ t cứ mô ̣t công trình nào. Tôi xin
cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm
ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Thái Nguyên, tháng 09 năm 2017
Tác giả luận văn

NGÔ HUY HẢI
Xác nhận của Trưởng khoa Hóa học

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. NGUYỄN THỊ HIỀN LAN

PGS.TS. BÙI ĐỨC NGUYÊN

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tác giả đã nhận được
rất nhiều sự quan tâm, động viên và giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo,
bạn bè và gia đình.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Khoa Hóa ho ̣c, Phòng Đào tạo Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giáo tham gia
giảng dạy đã cung cấp những kiến thức giúp tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:PGS. TS . Bùi Đức
Nguyên người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong
quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Với khối lượng công việc lớn, thời gian nghiên cứu có hạn, khả năng
nghiên cứu còn hạn chế, chắc chắn luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp từ thầy giáo, cô giáo và
bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 09 năm 2017
Tác giả
Ngô Huy Hải

iii


MỤC LỤC
TRANG BÌAPHỤ .................................................................................................... i
LỜI CAM ÐOAN ............................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iii
MỤCLỤC ........................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾTTẮT ................................................................................. vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 2

1.1. VẬT LIỆU NANO .......................................................................................... 2
1.1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano ............................................................................ 2

1.1.2. Perovskit ............................................................................................................... 3
1.1.2.1.Giới thiệu về perovskit ......................................................................................... 3
1.1.2.2.Cấu trúc lí tưởng của perovskit ............................................................................. 5
1.1.2.3.Tính chất của perovskit ......................................................................................... 6
1.1.2.4.Các phương pháp hóa học điều chế perovskit ...................................................... 7
1.2. Tính chấ t quang xúc tác của vâ ̣t liê ̣u bán dẫn nano ................................................. 10

1.2.1. Giới thiệu về xúc tác quang bán dẫn ............................................................... 10
1.2.2. Cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn .......................................................... 11
1.3. Ứng dụng của vật liệu nano ................................................................................. 15
1.3.1. Trong ngành công nghiệp ................................................................................. 15
1.3.2. Trong y học......................................................................................................... 15

1.3.3. Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường...................................................... 16
1.4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI
TRƯỜNG NƯỚC ................................................................................................. 20
1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU TRONG LUẬN VĂN ........... 22
1.5. 1. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis................................................................................ 22
1.5. 2. Nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................................................................... 22

iv


1.5. 3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....................................................................... 25

1.5.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-ViS (DRS) .......................................................... 25
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 27

2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................. 27
2.1.1. Mu ̣c tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 27
2.1.2. Nô ̣i dung nghiên cứu............................................................................................. 27

2.2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BI ..........................................................................
27
̣
2.2.1. Hóa chấ t ................................................................................................................ 27
2.2.2. Du ̣ng cu ̣ và thiế t bi ................................................................................................
27
̣

2.3. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ................................................................................... 28
2.4. CÁC KỸ THUẬT ĐO KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU .......... 28
2.4.1. Nhiễu xa ̣ tia X ....................................................................................................... 28

2.4.2. Hiể n vi điê ̣n tử truyề n qua (TEM) ........................................................................ 29
2.4.3. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) ............................................................... 29
2.4.4. Phổ tán xạ tia X (EDX) ......................................................................................... 29

2.5. QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY HỢP CHẤT RHODAMINE B .............. 29
2.5.1. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu vật liệu ..................... 29
2.5.2. Hiê ̣u suấ t quang xúc tác ....................................................................................... 29
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 31

3.1. THÀNH PHẦN, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU.................. 31
3.1.1. Kế t quả nhiễu xa ̣ tia X(XRD) .............................................................................. 31
3.1.2. Kế t quả chu ̣p phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .............................................. 33

3.1.3. Kế t quả chu ̣p TEM ............................................................................................ 33
3.1.4. Kế t quả phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis ............................................................. 36

3.2. HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ ............. 38
3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu .......................................... 38
3.2.2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB của vật liệu SrTiO3 ............................... 40

3.2.3. Hoa ̣t tính quang xúc tác phân hủy metyl da cam của SrTiO3 .................... 42
KẾT LUẬN..................................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 46
v


Phu ̣ lu ̣c 1 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nano SrTiO3 ở 4000C .......................... 50
Phu ̣ lu ̣c 2: Giản đồ nhiễu xa ̣ tia X của vâ ̣t liê ̣u Nano SrTiO3 ở 5000C .......................... 50
Phu ̣ lu ̣c 3: Giản đồ nhiễu xa ̣ tia X của vâ ̣t liê ̣u Nano SrTiO3 ở 6000C .......................... 50
Phu ̣ lu ̣c 4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nano SrTiO3 ở 7000C ........................... 51

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.2 . Các các hợp chất hữu cơ thường được sử dụng nghiên cứu trong phản ứng quang xúc tác của
TiO2 ........................................................................................................................................................................................20

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phân loại vật liệu theo số chiều ........................................................... 2
Hình 1.2: Cấu trúc lý tưởng (lập phương) của perovskit ................................... 5
Hình 1.3: Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu xạ với bước sóng
thích hợp. .............................................................................................................. 12
Hình 1.4: Giản đồ thế oxi hóa khử của các cặp chất trên bề mặt TiO2 ................... 13
Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile. ................................ 14
Hình 1.6: Sự hình thành gốc HO● và O2-. .............................................................. 14
Hình 1.7: Cơ chế quang xúc tác TiO 2 tách nước cho sản xuất hiđro ...................... 18
Hình1.8: Cườ ng đô ̣ tia sá ng trong phương phá p UV-Vis....................................... 22
Hình 1.9: Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt phẳng tinh thể chất rắn .... 23
Hình 1.10: Sơ đồ mô tả hoạt động nhiễu xạ kế bột ................................................ 24
Hình 1.11: Kính hiển vi điện tử truyền qua . ......................................................... 25
Hình 3.1. Giả n đồ nhiễu xa ̣ tia X củ a các vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3 ở 400oC ............... 31
Hình 3.2. Giả n đồ nhiễu xa ̣ tia X củ a các vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3 ở 500oC ............... 31
Hình 3.3. Giả n đồ nhiễu xa ̣ tia X củ a các vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3 ở 600oC ............... 32
Hình 3.4. Giả n đồ nhiễu xa ̣ tia X củ a các vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3 ở 700oC ............... 32
Hình 3.5: Phổ EDX của mẫu SrTiO3 ..................................................................... 33
Hình 3.6. Ảnh TEM củ a vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3-400oC ............................................ 34

Hình 3.7. Ảnh TEM củ a vâ ̣t liê ̣u nano SrTiO3-700oC ............................................ 35
Hình 3.8. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis của SrTiO3 điều chế ở các nhiệt độ
khác nhau .............................................................................................................. 36
Hình 3.9. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis của SrTiO3-700oC so sánh với TiO2 ... 37
Hình 3.11. Phổ hấp phụ phân tử của RhB ban đầu và sau bị hấp phụ bởi vật liệu
SrTiO3 ở những khoảng thời gian khác nhau ......................................................... 39
Hình 3.12. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử của dung dịch RhB xử lý bằng các
vật liệu SrTiO3 ...................................................................................................... 40
Hình 3.13. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB của SrTiO3 ............................. 41
Hình 3.14. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử của dung dịch MO xử lý bằng các
vật liệu SrTiO3 sau những khoảng thời gian chiếu sáng khác nhau ........................ 42
Hình 3.15. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy metyl dacam của các mẫu vật liệu
dưới ánh sáng khả kiến ......................................................................................... 43

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viế t tắ t

STT

Từ gố c

1

TBOT

Tetra butyl orthotitanat

2

VB

Vanlence Band

3

CB

Conduction Band

4

TEM

Transsmision Electronic Microscopy

5

BET

Brunauer Emmett Teller method

6

RhB

Rhodamine B

7

MO

Methyl orange

vii


MỞ ĐẦU
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt nam, các nhà khoa học đang nỗ
lực nghiên cứu để tìm ra chất bán dẫn quang xúc tác có hiệu suất cao để ứng
dụng xử lý các chất hữu cơ độc hại có trong môi trường nước thải.
Gần đây các hợp chất có cấu trúc perovskite, đặc biệt là hợp chất ABO3
(A = Sr, Ba, Pb, Ca và B = Ti, Zr) đã được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do
các ứng dụng to lớn của chúng trong kỹ thuật và đời sống. Trong họ vật liệu
ABO3, vật liệu điện môi strontium titanate SrTiO3 (STO) được nghiên cứu
nhiều hơn cả, nhất là sau khi khám phá ra tính chất sắt điện của chúng. Vật liệu
ABO3 thể hiện những đặc tính rất thú vị như tính chất quang hóa, tính chất sắt
điện,tính chất áp điện và nhiều tính chất khác. Tuy nhiên, các nghiên cứu tập
trung nhiều vào tính chất điện từ của chúng, các nghiên cứu về ứng dụng quang
xúc tác của hệ vật liệu STO còn rất ít.Đặc biệt, đối với họ vật liệu ABO3, sự
thay thế các nguyên tố khác vào các vị trí của A hoặc B hoặc thay thế đồng
thời cùng lúc hai vị trí tạo ra rất nhiều sự thay đổi tính chất. Khi có sự pha tạp,
tính chất qunga, điện của các vật liệu perovskite có khá nhiều hứa hẹn cải thiện
để phù hợp với các mục đích ứng dụng khác nhau.
Do đó, em chọn đề tài “Tổ ng hợp, nghiên cứu đă ̣c trưng cấ u trúc và
hoa ̣t tính quang xúc tác của vật liê ̣u nano SrTiO3”

1

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full