Nghiên cứu tổng hợp chất xúc tác trên nền vật liệu graphen oxit (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Ơ

ĐỖ THỊ NGỌC CẨM
Ơ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT XÚC TÁC
TRÊN NỀN VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT
Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ
Mã số: 60 44 01 19
Demo Version - Select.Pdf SDK

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THEO ĐỊNH HƯỚNG KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS HOÀNG VĂN ĐỨC

Thừa Thiên Huế, năm 2016
i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả trong
luận văn này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác. Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Ngƣời thực hiện
Đỗ Thị Ngọc Cẩm

Demo Version - Select.Pdf SDK

ii


Lời Cảm Ơn
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắcđến Thầy giáo
TS. Hoàng Văn Đức, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt
nhất để giúp em hoàn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến qúy Thầy,Cô giáo tổ Hóa lí, Khoa
Hóa- Trường ĐHSP Huế đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong quá
trình thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Việt Tý đã giúp đỡ em
trong quá trình thực nghiệm để hoàn thành đề tài này.
Cuối cùng, em xin tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ
và động viên em trong suốt thời gian qua.

Demo Version - Select.Pdf SDK

Huế, tháng 9 năm 2016
Học viên
Đỗ Thị Ngọc Cẩm

iii


MỤC LỤC
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iii
Mục lục ........................................................................................................................ 1
Danh mục các từ viết tắt .............................................................................................. 2

Danh mục đồ thị, hình vẽ ............................................................................................ 3
Danh mục các bảng biểu ............................................................................................. 4
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 7
1.1. VẬT LIỆU GRAPHIT ......................................................................................... 7
1.2. VẬT LIỆU GRAPHEN........................................................................................ 8
1.2.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 8
1.2.2. Cấu trúc của graphen ......................................................................................... 9
1.2.3. Tính chất của graphen ....................................................................................... 9
1.3. GRAPHEN OXIT .............................................................................................. 10
1.3.1. Cấu trúc
của graphen
oxit- ...............................................................................
10
Demo
Version
Select.Pdf SDK
1.3.2. Tính chất của graphen oxit .............................................................................. 11
1.3.3. Các phƣơng pháp tổng hợp GO ...................................................................... 11
1.3.4. Ứng dụng của GO ........................................................................................... 12
1.4. TỔNG QUAN VỀ Fe2O3/GO ............................................................................ 14
1.4.1. Tổng hợp Fe2O3/GO ........................................................................................ 14
1.4.2. Ứng dụng của vật liệu Fe/GO ......................................................................... 15
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ......... 17
2.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................... 17
2.1.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction: XRD) ............................ 17
2.1.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Radiation: FT-IR)18
2.1.3. Phƣơng pháp phổ EDX ................................................................................... 18
2.1.4. Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ- khử hấp phụ nitơ (BET) ........................... 19
2.1.5. Phƣơng pháp phổ quang điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy

XPS) .......................................................................................................................... 20
1


2.1.6. Phƣơng pháp phổ tử ngoại-khả kiến (Utra Violet- Visible: UV-Vis) ................... 21
2.2. THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 22
2.2.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ........................................................................... 22
2.2.2. Tổng hợp vật liệu GO...................................................................................... 23
2.2.3. Tổng hợp vật liệu Fe2O3/GO ........................................................................... 24
2.2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ và xúc tác của vật liệu tổng hợp ......................... 24
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 27
3.1. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG GRAPHEN OXIT .......................................... 27
3.1.1. Tổng hợp graphen oxit .................................................................................... 27
3.1.2. Đặc trƣng vật liệu graphit và graphen oxit (GO) ........................................... 27
3.2. TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU Fe2O3/GO.................................... 30
3.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe2O3/GO ........................................................................... 30
3.2.2. Đặc trƣng vật liệu Fe2O3/GO .......................................................................... 30
3.2.3. Tổng hợp Fe2O3/GO với các hàm lƣợng Fe khác nhau ............................... 33
3.3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
TỔNG HỢP .............................................................................................................. 41

Demo
- Select.Pdf SDK
3.3.1. Khả năng
hấp Version
phụ............................................................................................
41
3.3.2. Khả năng xúc tác của vật liệu ......................................................................... 43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 47

PHỤ LỤC ..................................................................................................................P1

2


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BET

Brunaur- Emmett- Teller

EDX

Energy Dispersive X ray Spectrocopy

FT-IR

Fourier Transform Infrared Radiation

GO

Graphen oxit

HPHH

Hấp phụ hóa học

HPVL

Hấp phụ vật lý

MB

Methylene blue

UV-Vis

Ultra Violet – Visible

XRD

X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

XPS

X-ray Photoelectron Spectroscopy

Demo Version - Select.Pdf SDK

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mẫu graphit ................................................................................................. 7
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể graphit .............................................................................. 8
Hình 1.3. Mô hình cấu trúc Graphen oxit (GO) do Lerf-Klinowsk đề xuất ............. 10
Hình 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp GO ................................................................ 11
Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể ................................................... 17
Hình 2.2. Bƣớc chuyển của các electron trong phân tử ............................................ 21
Hình 2.3. Hệ phản ứng oxi hóa xanh metylen .......................................................... 26

Hình 3.1. Mẫu graphen oxit tổng hợp ....................................................................... 27
Hình 3.2. Giản đồ XRD của graphit.......................................................................... 27
Hình 3.3. Giản đồ XRD của graphen oxit ................................................................. 28
Hình 3.4. Phổ FT-IR của mẫu graphit và graphen oxit ............................................. 29
Hình 3.5. Mẫu Fe2O3/GO .......................................................................................... 30
Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu GO và Fe10/GO1,92............................................ 30
Hình 3.7. Phổ FT-IR của mẫu Fe2O3/GO .................................................................. 31

Demo
Version
- Select.Pdf
SDK
Hình 3.8. Phổ
XPS của
Fe2O3/GO
(a) và giản đồ
XPS ............................................. 32
Hình 3.9. Đẳng nhiệt hấp phụ của các mẫu GO và Fe2O3/GO ................................. 33
Hình 3.10. Phổ EDX của Fe5/GO1,92 (a); Fe10/GO1,92 (b) và Fe15/GO1,92 (c) ......... 34
Hình 3.11. Giản đồ XRD của vật liệu với hàm lƣợng Fe khác nhau ở pH=1,92 ...... 35
Hình 3.12. Phổ EDX của Fe5/GO2,56 (a); Fe10/GO2,56 (b) và Fe15/GO2,56 (c) ......... 36
Hình 3.13. Giản đồ XRD của vật liệu với hàm lƣợng Fe khác nhau ở pH = 2,56 .... 37
Hình 3.14. Giản đồ XRD của các mẫu Fe5/GO1,92 và Fe5/GO2,56 .......................... 38
Hình 3.15. Giản đồ XRD của các mẫu Fe10/GO1,92 và Fe10/GO2,56 ...................... 39
Hình 3.16. Giản đồ XRD của các mẫu ...................................................................... 40
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn độ hấp phụ MB của các mẫu GO, Fe/GO .................... 42
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn hiệu suất mất màu MB của các mẫu GO, Fe2O3/ GO. . 44

3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các hóa chất đƣợc sử dụng trong khóa luận ............................................. 22
Bảng 3.1. Hàm lƣợng Fe (% khối lƣợng) trong các mẫu Fex/GO1,92 ( x: hàm lƣợng Fe) 34
Bảng 3.2. Hàm lƣợng Fe (% khối lƣợng) trong .................................................... 36
các mẫu Fex/GO1,92 (x: hàm lƣợng Fe) ................................................................ 36
Bảng 3.3. Hàm lƣợng Fe (% khối lƣợng) trong các mẫu Fe5/GO1,92 và Fe5/GO2,56..... 38
Bảng 3.4. Hàm lƣợng Fe (% khối lƣợng) trong các mẫu Fe10/GO1,92 và Fe10/GO2,56 . 39
Bảng 3.5. Hàm lƣợng Fe (% khối lƣợng) trong các mẫu Fe15/GO1,92 và Fe15/GO2,56. 40
Bảng 3.6. Các mẫu Fe/GO tổng hợp với hàm lƣợng Fe khác nhau ...................... 41
Bảng 3.7. Độ hấp phụ của các mẫu Fe/GO với hàm lƣợng Fe khác nhau ................ 42
Bảng 3.8. Hiệu suất mất màu MB của các mẫu GO, Fe2O3/GO ở 500C sau 180 phút..... 43
Bảng 3.9. Hiệu suất chuyển hóa xúc tác của các mẫu GO, Fe2O3/GO ở 500C ......... 45

Demo Version - Select.Pdf SDK

4


MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đang đƣợc hết sức quan tâm, đặc biệt
là ô nhiễm môi trƣờng nƣớc, nó ảnh hƣởng tới sức khỏe của con ngƣời và các sinh
vật trên Trái đất. Tại Việt Nam, nƣớc ngầm đƣợc sử dụng làm nguồn nƣớc sinh hoạt
chính của nhiều cộng đồng dân cƣ. Sự ô nhiễm nguồn nƣớc đã và đang gây ra
những nguy cơ cho sức khỏe con ngƣời. Ngoài tác hại của một số kim loại nặng nhƣ
thủy ngân, asen, chì…thì phải kể đến sự có mặt của các chất gây ô nhiễm hữu cơ
độc hại trong nƣớc nhƣ các hóa chất bảo vệ thực vật, các hóa chất tổng hợp trong
sản xuất công nghiệp, các loại hóa chất dệt nhuộm. Do đó, việc giảm thiểu các chất
gây ô nhiễm này vào môi trƣờng nƣớc là rất cần thiết.
Trong những năm gần đây, vật liệu cacbon đã và đang thu hút sự quan tâm

của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc bởi các tính chất đặc biệt với các tiềm
năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt là graphen, vật liệu
công nghệ sạch, thân thiện với môi trƣờng, có nguồn gốc từ thiên nhiên có tính chất
vƣợt trội nhƣ: cấu trúc màn mỏng, diện tích bề mặt lớn, độ cứng cao,…nên đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: điện cực, cảm biến, tụ điện, xử lý môi

Demo
- Select.Pdf
trƣờng,… Trong
đó, Version
graphen oxit
(GO) là sản SDK
phẩm trung gian khi chế tạo graphen
từ graphit cũng có nhiều tính chất tƣơng tự graphen. Ngoài ra, trên bề mặt vật liệu
GO còn chứa nhiều nhóm chức phân cực nhƣ cacboxyl, hydroxyl, cacbonyl,
epoxi… giúp GO dễ phân tán trong nƣớc, loại bỏ các ion, các chất dễ bị phân hủy.
Vì vậy, GO là vật liệu nền lí tƣởng, thuận lợi cho việc gắn chặt, phân tán các kim
loại, oxit kim loại, các hợp chất hóa học khác tạo nên những tổ hợp có các tính chất
mới, tính linh động của electron trên bề mặt GO với độ bền cơ học, độ bền nhiệt
đƣợc cải thiện. Theo hƣớng này, đã có một số công bố về chế tạo chất xúc tác kim
loại/oxit kim loại kết hợp với vật liệu graphen oxit dạng huyền phù nhƣ: graphen
oxit (TiO2/GO) hay phân tán Au/GO, CuO/GO… đang rất đƣợc quan tâm, nhất là
trong lĩnh vực xử lí môi trƣờng, hấp phụ các chất hữu cơ đặc biệt là các loại phẩm
nhuộm.

5


Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu tổng
hợp chất xúc tác trên nền vật liệu graphen oxit” với nguồn graphen oxit đƣợc tổng

hợp từ graphit.
Luận văn gồm các nội dung sau:
1. Tổng hợp graphen oxit (GO) từ graphit bằng phƣơng pháp Hummer biến tính.
2. Nghiên cứu biến tính vật liệu GO bằng kim loại Fe.
 Khảo sát ảnh hƣởng của pH
 Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng kim loại
3. Đặc trƣng các vật liệu tổng hợp.
4. Thử hoạt tính của vật liệu tổng hợp.

Demo Version - Select.Pdf SDK

6