Tải bản đầy đủ

Tổng hợp, nghiên cứu tính chất và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano SrTiO3 biến tính bằng Ag2O (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM TRUNG DŨNG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU
NANO SrTiO3 BIẾN TÍNH BẰNG Ag2O

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM TRUNG DŨNG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU

NANO SrTiO3 BIẾN TÍNH BẰNG Ag2O
Ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

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

THÁI NGUYÊN - 2019


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Bùi Đức Nguyên. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong
luận văn này là trung thực và chưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được
cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Thái Nguyên, tháng 03 năm 2019
Tác giả luận văn

PHẠM TRUNG DŨNG

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn đã được hoàn thành tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư
phạm, Đại học Thái Nguyên. Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
PGS.TS. Bùi Đức Nguyên người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong ban giám hiệu,
phòng đào tạo, khoa Hóa học- trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ,
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn
thành luận văn.
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 03 năm 2019
Tác giả

Phạm Trung Dũng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................. vi
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
1.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu 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 ................... 19
1.5. Các phương pháp phân tích mẫu trong luận văn ....................................... 21
1.5.1. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ................................................................... 21
1.5.2. Nhiễu xạ tia X (XRD) .............................................................................. 22
1.5.3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................................... 24
1.5.4. Phổ phản xạ khuếch tán UV-ViS (DRS) .................................................. 25
Chương 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 26
2.1. Hóa chất và thiết bị ..................................................................................... 26
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 26
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị................................................................................... 26
2.2. Chế tạo vật liệu ........................................................................................... 26

iii


2.2.1. Điều chế SrTiO3....................................................................................... 26
2.2.2. Điều chế SrTiO3 biến tính bằng Ag2O .................................................... 27
2.3. Các kỹ thuật đo khảo sát tính chất của vật liệu .......................................... 28
2.3.1. Nhiễu xạ tia X .......................................................................................... 28
2.3.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................................... 28
2.3.3. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DRS) .................................................. 28
2.3.4. Phổ tán xạ tia X (EDX)............................................................................ 28
2.4. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy hợp chất rhodamine b và
metyl da cam của các vật liệu ............................................................................ 28
2.4.1. Thí nghiệm khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của các vật liệu .... 28
2.4.2. Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng (%) Ag 2O trong
các vật liệu đến hoạt tính quang xúc tác của SrTiO3 ......................................... 29
2.4.3. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu theo
thời gian ............................................................................................................ 30
2.4.4. Hiệu suất quang xúc tác ........................................................................... 30
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 32
3.1. Thành phần, đặc trưng cấu trúc của vật liệu............................................... 32
3.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X(XRD) ................................................................. 32
3.1.2. Kết quả chụp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ................................. 36
3.1.3. Kết quả chụp TEM .................................................................................. 39
3.1.4. Kết quả phản xạ khuếch tán (DRS) ......................................................... 41
3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu ...................................... 42
3.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của các vật liệu ....................... 42
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của phần trăm Ag2O biến tính đến hoạt tính
quang xúc tác của SrTiO3 .................................................................................. 44
3.2.3. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB và MO theo thời gian của vật
liệu 5% Ag2O/SrTiO3 ........................................................................................ 46
KẾT LUẬN....................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 53

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT

Từ viết tắt

Từ gốc

1

CB

Conduction Band

2

MO

Methyl orange

3

RhB

Rhodamine B

4

TEM

Transsmision Electronic Microscopy

5

VB

Vanlence Band

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các các hợp chất hữu cơ thường được sử dụng nghiên cứu trong
phản ứng quang xúc tác của TiO2 .................................................... 19
Bảng 2.1. Thể tích dung dịch AgNO3 0,01M được lấy tương ứng với %
khối lượng của Ag2O (x) trong vật liệu x% Ag2O/SrTiO3 .............. 27

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
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. .......................... 13
Hình 1.6. Sự hình thành gốc HO● và O2-. ......................................................... 14
Hình 1.7. Cơ chế quang xúc tác TiO2 tách nước cho sản xuất hiđro ................ 18
Hình1.8. Cường độ tia sáng trong phương pháp UV-Vis ................................. 21
Hình 1.9. Mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt phẳng tinh thể chất rắn .... 22
Hình 1.10. Sơ đồ mô tả hoạt động nhiễu xạ kế bột........................................... 23
Hình 1.11. Kính hiển vi điện tử truyền qua . .................................................... 24
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano SrTiO3 ....................... 32
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano 0,1% Ag2O/SrTiO3 ... 32
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano 0,5% Ag2O/SrTiO3 ... 33
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano 1% Ag2O/SrTiO3 ...... 33
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano 3% Ag2O/SrTiO3 ...... 34
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu nano 5% Ag2O/SrTiO3 ...... 34
Hình 3.7. Phổ EDX của mẫu SrTiO3 ................................................................ 36
Hình 3.8. Phổ EDX của mẫu 1%Ag2O-SrTiO3 ................................................ 37
Hình 3.9. Phổ EDX của mẫu 5%Ag2O-SrTiO3 ................................................ 38
Hình 3.10. Ảnh TEM của vật liệu nano SrTiO3................................................ 39
Hình 3.11. Ảnh TEM của vật liệu nano 1%Ag2O-SrTiO3 ................................ 40
Hình 3.12. Ảnh TEM của vật liệu nano 5%Ag2O-SrTiO3 ................................ 40
Hình 3.13. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis của x%Ag2O/SrTiO3 .................. 41

vi


Hình 3.14. Phổ hấp phụ phân tử Rhodamine B của vật liệu 5%Ag2O/SrTiO3
sau những khoảng thời gian khác nhau ........................................... 43
Hình 3.15. Phổ hấp phụ phân tử MO của vật liệu 5%Ag2O/SrTiO3 sau
những khoảng thời gian khác nhau .................................................. 43
Hình 3.16. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch Rhodamine B của
các vật liệu x%Ag2O/SrTiO3 ........................................................... 44
Hình 3.17. Hiệu suất quang xúc tác (H%) phân hủy Rhodamine B của các
vật liệu x%Ag2O/SrTiO3.................................................................. 45
Hình 3.18. Sự thay đổi phổ hấp thụ phân tử dung dịch MO của các vật liệu
x%Ag2O/SrTiO3............................................................................... 45
Hình 3.19. Hiệu suất quang xúc tác (H %) phân hủy MO của các vật liệu
x%Ag2O/SrTiO3............................................................................... 46
Hình 3.20. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B tại các thời
điểm chiếu sáng khác nhau của vật liệu 5% Ag2O/SrTiO3 ............. 47
Hình 3.21. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B theo thời gian
của vật liệu 5% Ag2O/SrTiO3 .......................................................... 47
Hình 3.22. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MO tại các thời điểm chiếu
sáng khác nhau của vật liệu 5%Ag2O/SrTiO3 ................................. 49
Hình 3.23. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy MO theo thời gian của vật
liệu 5%Ag2O/SrTiO3........................................................................ 49

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
về ứng dụng cho mục đích quang xúc tác. Mặc dù chất xúc tác quang SrTiO3 có
hoạt tính quang xúc tác khá mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại, nhưng hiệu
suất quang xúc tác của vật liệu SrTiO3 lại rất thấp trong vùng ánh sáng khả
kiến. Điều này gây hạn chế cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu SrTiO3 với hiệu
suất cao. Do đó, biến tính SrTiO3 để cải thiện hoạt tính quang của nó cho các
ứng dụng khác nhau đã trở thành một chủ đề được rất nhiều nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu.
Để nâng cao hiệu suất quang xúc tác của SrTiO3, em chọn đề tài “Tổng
hợp, nghiên cứu tính chất và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano
SrTiO3 biến tính bằng Ag2O”

1


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano
Công nghệ nano [4] là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị
máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu
trúc , tức là đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ xuất
hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa học
vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào
nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào
đời sống của chúng ta.
Vật liệu nano [4] là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước
nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái:
rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu
là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Thông thường vật liệu nano
được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu
và kích thước của vật liệu v.v...

Hình 1.1. Phân loại vật liệu theo số chiều
Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano
không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) (hình 1.1).
- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước, không còn
chiều tự do nào cho điện tử) Ví dụ : đám nano, hạt nano v.v..
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước
nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: dây nano,
ống nano v.v...
2


- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước
nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng, v.v...
- Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt tinh
thể. Vật liệu có cấu trúc nano hay composite trong đó chỉ có một phần của vật
liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có không chiều, một chiều, hai
chiều đan xen lẫn nhau.
Ngoài ra để phân biệt được các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào
sự khác nhau về ứng dụng của chúng:
- Vật liệu nano kim loại.
- Vật liệu nano bán dẫn.
- Vật liệu nano từ tính.
- Vật liệu nano sinh học.
1.1.2. Perovskit
1.1.2.1. Giới thiệu về perovskit
Các oxit hỗn hợp dạng perovskit (gọi tắt là perovskit) có công thức tổng
quát là ABO3 (trong đó, A là cation có kích thước lớn hơn B). Chúng có cấu
trúc tương tự như CaTiO3 (là khoáng chất được đặt tên cho nhóm hợp chất
này). Parravano là người có những công trình nghiên cứu sớm nhất về
perovskit (thực hiện năm 1952, 1953) [6]. Trong công thức trên, A là cation có
kích thước lớn hơn B, thường là các cation nguyên tố đất hiếm, kim loại kiềm,
kiềm thổ hoặc các cation có kích thước lớn hơn như Pb 2+, Bi3+; còn B là cation
kim loại chuyển tiếp 3d, 4d, 5d (như Co, Cu, Cr, Ni, Pt, Pd, Ru, Fe, Mn,…).
Trong thực tế, khoảng 90% các kim loại trong tự nhiên trong bảng hệ
thống tuần hoàn đều bền vững trong cấu trúc perovskit. Hơn nữa, các perovskit
có thể được tổng hợp bằng các cation khác là A’ và B’ tạo thành perovskit có
công thức là (AxA1x)(ByB’1 -y)O3. Hệ perovskit có khả năng dẫn điện bằng ion
và bằng cả các electron, có khả năng cho oxi thấm qua mà không cần phải có
điện cực hay dòng điện bên ngoài tác động vào. Khi khảo sát đặc tính của
perovskit người ta thường chú ý đến vị trí khiếm khuyết (các lỗ trống) của các
anion oxi trong hệ. Các lỗ trống này được hình thành ngay trong quá trình hình
thành mạng lưới tinh thể perovskit và được bắt đầu ở nhiệt độ khoảng 500 oC. Ở
nhiệt độ cao hơn, các lỗ trống anion của oxi trong mạng lưới tinh thể perovskit
được hình thành liên tục do sự trao đổi các vị trí lỗ trống xảy ra liên tục. Do
3


vậy, khả năng oxi thấm qua bề dày là rất cao. Một nguyên nhân khác làm tăng
dòng oxi thấm qua là do sự thay thế của một cation hóa trị cao vào hệ dẫn tới
kết quả là có hai loại bù đắp điện tích, nghĩa là có sự phụ thuộc điện tử và ion
trên áp suất riêng phần của bề mặt cũng như mạng lưới các perovskit có liên
quan chặt chẽ đến hoạt tính xúc tác oxi hóa. Do đó, việc ứng dụng perovskit
làm chất xúc cho phản ứng oxi hóa đang được chú ý đặc biệt.
Ngoài tính chất xúc tác, các perovskit còn được quan tâm bởi những tính
chất vật lí của chúng như tính điện từ áp điện, điện nhiệt, từ tính và quang điện
1.1.2.2. Cấu trúc lí tưởng của perovskit
Cấu trúc lí tưởng của perovskit là dạng lập phương. A là cation có kích
thước lớn hơn B, thường là các kim loại đất hiếm, kiềm, kiềm thổ hoặc các ion
có kích thước lớn như Pb2+ và Bi3+, còn B là các kim loại chuyển tiếp 3d, 4d, 5d
(như Co, Cu, Ni, Pt, Fe, Mn,…). Trong cấu trúc tinh thể, A là cation có 12 liên
kết với oxi, B là cation có 6 liên kết với oxi [6]. Mạng lưới của perovskit thuộc
hệ lập phương CaTiO3, cation Ti nằm ở trong tâm lập phương, 6 ion oxi nằm ở
các mặt, 8 ion Ca nằm ở các đỉnh, mỗi tế bào chứa một phân tử CaTiO3. A là
cation lớn, B là cation nhỏ. Anion thường là oxi, trong một số trường hợp có
thể là florua, cloru a 2 / 2 a, iodua, sunfua, hay hidrua. Trong mạng lưới tinh
thể perovskit thường xuất hiện lỗ trống cation A, còn anion B thì hầu như chưa
gặp lỗ trống. Trật tự sắp xếp của BX3 - perovskit là tương tự cấu trúc ReO3 hay
WO3. Hợp chất NaxWO4 có mạng lưới đơn giản cấu trúc perovskit biến dạng
trong mọi giá trị của x.
Lỗ trống anion ít gặp và thường xuất hiện với nồng độ lỗ trống bé ví dụ
titanatstoti có công thức SrTiO2.5 đồng hình với cấu trúc SrTiO3. Trong cấu trúc
lí tưởng, các nguyên tử tiếp xúc với nhau. Khoảng cách B - X bằng a/2, khoảng
cách A - X bằng a 2 / 2 (a là cạnh của lập phương). Từ đó, ta có mối quan hệ
giữa các bán kính ion rA + r X = 2 (rB + rX). Người ta thấy rằng các perovskit
có cấu trúc lập phương lý tưởng hoặc biến dạng chút ít vẫn còn ở dạng hợp chất
ABX3 ngay cả khi mối quan hệ này không được tuân thủ. Để đo độ lệch ra khỏi
cấu trúc này lý tưởng Goldschmidt đưa ra yếu tố tương thích t: t = r A + rX
/ 2 (rB + rX). Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho những bán kính ion thu
được bằng thực nghiệm ở nhiệt độ phòng. Đối với biểu thức lí tưởng (t =1).

4


Perovskit lệch khỏi cấu trúc lí tưởng thì t thấp hơn (0.75< t < 1). Trong những
trường hợp như vậy cấu trúc biến dạng trở thành tứ diện, mặt thoi hoặc các hệ
số có đối xứng thấp hơn. Tất nhiên nhiều oxit kiểu perovskit có kiểu đa hình,
hơn nữa mối tương quan hình học không phải là điều kiện đủ để có tinh thể
perovskit bền. Bởi vì các cation A và B phải bền với số phối trí 12 hoặc (8+4)
hoặc (6 + 6) tương ứng, từ điều kiện này ta có giới hạn thấp của các bán kính
0

0

cation. Trong hệ oxit giới hạn này là rA > 0.90 A ; rB > 0.51 A .

Hình 1.2. Cấu trúc lý tưởng (lập phương) của perovskit
Mặc dù đối với cấu trúc perovskit lí tưởng t = 1 nhưng kiểu cấu trúc này
vẫn tồn tại ở dạng thấp hơn (0.75 < t < 1). Cấu trúc lập phương lí tưởng này
xuất hiện trong một trường hợp giá trị t’rất gần với 1và ở các nhiệt độ cao hơn.
Trong đa số các trường hợp thì xuất hiện sự méo mạng tinh thể. Sự lệch
khỏi cấu trúc lí tưởng dẫn đến các hệ tinh thể có tính đối xứng thấp hơn giảm
dần như là orthorhomic (trực thoi), rhombohedral (mặt thoi), tetragonal (tứ
giác), monoclinic (đơn tà hay một nghiêng), và triclicnic (tam nghiêng hay tà
nghiêng). Cấu trúc méo mạng có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng nhưng nó có thể
chuyển sang cấu trúc lập phương ở nhiệt độ cao. Sự chuyển pha cấu trúc này có
thể xuất hiện nhiều bước qua các pha méo trung gian [3].
1.1.2.3. Tính chất của perovskit
Tính chất vật lí của perovskit: Các perovskit được chú ý bởi tính chất vật
lý của chúng: tính chất từ, tính chất điện và tính quang học. Còn hoạt tính xúc
tác của chúng mới bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1952 bởi Parravano. Hoạt
tính của 1 chất xúc tác được quyết định bởi nhiều yếu tố như khả năng hấp thụ
các chất phản ứng, khả năng oxi hóa - khử của các cation trong xúc tác, tính
axit - bazo, độ bền nhiệt,... và bề mặt riêng của xúc tác.

5


- Tính chất hấp phụ của perovskit: Tính chất hấp thụ của perovskit
ABO3+ (B là kim loại chuyển tiếp) ở 25oC phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của
B3+ và lớn nhất đối với Fe3+. Các nghiên cứu cho thấy O2 và CO hấp thụ trên
các tấm bề mặt khác nhau, trong khi CO có liên kết với cả oxi bề mặt và ion
kim loại của perovskit....
- Tính chất oxi - hóa khử của perovskit: Hoạt tính xúc tác của perovskit
được quyết định chủ yếu bởi tính chất oxi hóa-khử của các kim loại trong xúc
tác. Quyết định nhất là kim loại chuyển tiếp B, nó đóng vai trò là trung tâm
hoạt động của xúc tác trong các quá trình oxi hóa - khử.
1.1.2.4. Các phương pháp hóa học điều chế perovskit
Các phương pháp hóa học tổng hợp perovkit rất phong phú: perovskit
có thể được tổng hợp từ pha rắn, pha khí, từ dung dịch hay tổng hợp trên
chất mang.
- Phương pháp tổng hợp thông qua phản ứng pha rắn Phương pháp cổ
điển nhất để điều chế perovskit là nghiền trộn thật kỹ các oxit kim loại hoặc các
muối nitrat, cacbonat, hidroxit của các kim loại theo tỷ lệ thích hợp rồi nung ở
nhiệt độ cao. Do phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ cao nên sản phẩm tạo ra có
kích thước hạt lớn, độ đồng đều kém.
- Phương pháp dùng các phản ứng rắn - rắn thường dùng để điều chế các
perovskit mà diện tích bề mặt không phải yếu tố quan trọng. Tất nhiên, phương
pháp nhiệt bị hạn như các đơn tinh thể hoặc các lớp mỏng. Vì phương pháp này
rất hay dùng để điều chế các ceramic nên được gọi là phương pháp gốm. Ưu
điểm của phương pháp này là đơn giản. Hỗn hợp cơ học gồm các oxit đơn giản
và một số chất đầu cần thiết khác thường được nung ở nhiệt độ rất cao (trên
10000C) để các pha rắn phản ứng hoàn toàn với nhau. Điều này gây cho các
phương pháp có nhược điểm là diện tích bị mặt bị giảm rất mạnh. Đa số các
perovskit tổng hợp được có diện tích nhỏ hơn 1m2/g. Cho nên phương pháp ít
được sử dụng trong xúc tác vì diện tích bề mặt quá thấp thì tính tổng thể của sản
phẩm cũng khó đảm bảo do phản ứng pha rắn - rắn rất khó xảy ra hoàn toàn [6].
6


- Ngày nay, đã có một số cải tiến nhằm tạo ra sản phẩm có các tính chất
tốt hơn như: sử dụng hợp lí tỉ lệ của các cation kim loại, sử dụng bột rắn đã
được phản ứng sơ bộ, sử dụng vật liệu ban đầu có tính oxi hóa cao, sử dụng
phức kim loại, sử dụng áp suất. Gần đây, người ta còn tổng hợp perovskit bằng
phương pháp nghiền cơ học các hỗn hợp oxit rắn ở áp suất O 2 cao. Bằng cách
bổ sung một số chất phụ gia thích hợp, các sản phẩm tạo thành có diện tích bề
mặt riêng khá lớn. Tuy nhiên, bề mặt riêng giảm đáng kể khi nung ở nhiệt
độ cao.
- Phương pháp tổng hợp từ dung dịch: Nhằm hạn chế nhược điểm của
phản ứng pha rắn, người ta đã phát triển phương pháp sol - gel và đồng kết tủa
các ion kim loại từ dung dịch sử dụng các tiền chất như: hidroxit, xyanua,
oxalat, cacbonat, xitrat,...
Các phần tử của các tiền chất trong dung dịch phân bố gần nhau tạo môi
trường phản ứng tốt cho quá trình hình thành sản phẩm. Do đó, nhiệt độ đòi hỏi
thấp hơn các phương pháp cổ điển khác. Ngoài ra, các phương pháp tổng hợp
từ dung dịch còn có các ưu điểm như khống chế tốt hơn tỉ lệ nguyên tử, độ tinh
khiết và kích thước hạt. Vì vậy, sản phẩm được tổng hợp theo phương pháp này
có độ đồng đều và hoạt tính xúc tác cao.
- Phương pháp tổng hợp từ dung dịch có 2 nhóm chính: Nhóm thứ nhất
dựa trên quá trình kết tủa cùng với quá trình lọc, ly tâm để tách riêng chất rắn
và dung môi; nhóm thứ 2 dùng các quá trình nhiệt như bay hơi, thăng hoa, đốt
cháy,... để loại bỏ dung môi phương pháp dựa trên quá trình kết tủa:
Phương pháp hidroxit: do độ tan của các hidroxit kém và có nhiều dạng
kết tủa khác nhau nên phương pháp này thường được sử dụng [6]. Các cation
kim loại đồng kết tủa với các tác nhân kết tủa như là dung dịch NH 3, muối
Na2CO3,… Sau đó, nhiệt phân các hidroxit thu được, để thu được phức hợp các
oxit kim loại.
Phương pháp này được gọi là phương pháp đồng kết tủa.

7


Phương pháp oxalat: nguyên tắc của phương pháp này dựa trên phản
ứng của các cacbonat, hidroxit hoặc oxit thích hợp với axit oxalic tạo ra sản
phẩm gồm các oxalat, CO2, H2O. Sản phẩm được nung trong khí quyển O2 để
tạo thành perovskit [6].
Phương pháp sol- gel: là phương pháp hay được sử dụng nhất, bao gồm
các bước cơ bản: tổng hợp các alkoxit kim loại, thực hiện có điều khiển quá
trình thủy phân và polime hóa; sấy; nung [6].
Phương pháp citrat: phương pháp này được nghiên cứu bởi Zhang và
các cộng sự. Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TG),
nhiễu xạ Rơnghen (XRD) và phổ hồng ngoại (IR), người ta nhận thấy rằng các
tiền chất citrat bị phân hủy theo nhiều bước trước khi perovskit được hình
thành, bao gồm các bước sau: phân hủy phức citrat, loại bỏ các ion cacbonat,
nitrat. Sau khi nung ở 600oC - 700oC thì pha tinh thể được hình thành. Vì
phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ nung thấp nên sản phẩm tạo thành từ phương
pháp này có bề mặt riêng tương đối cao (30-40 g/m2). Người ta giả thiết rằng
phức citrat trong dung dịch giúp kim loại phân tán gần nhau hơn nên nhiệt độ
hình thành perovskit thấp hơn [6].
Một số phương pháp sol - gel khác: gần đây, người ta phát triển một số
phương pháp sol-gel khác sử dụng tiền chất là axitpoliacrylic, polietylenglycol,
axit malic. Sản phẩm tạo ra có độ đồng đều cao và bề mặt riêng lớn. Ưu điểm
nổi trội nhất của phương pháp tổng hợp từ dung dịch là khả năng chế tạo được
những vật liệu mới có cấu trúc đồng đều [2]. Tuy nhiên, phương pháp này cũng
có một số nhược điểm sau:
- Sự liên kết trong màng yếu.
- Có độ thẩm thấu cao.
- Rất khó để điều khiển độ xốp.
- Dễ bị rạn nứt trong quá trình nung sấy.

8


Phương pháp dựa trên quá trình xử lí nhiệt: Phương pháp đốt cháy: gần
đây, người ta tổng hợp một số ferrit và các vật liệu siêu dẫn thông qua quá trình
hòa tan nitrat trong kim loại trong cồn, nguyên tử hóa dung dịch thu được bằng
oxi qua vòi phun, đốt cháy cồn, thu được sản phẩm rắn. Phương pháp sấy đông
khô: kĩ thuật sấy đông khô tương đối đơn giản, bao gồm hòa tan muối trong
dung dịch thích hợp (thông thường là nước) làm lạnh nhanh dung dịch để giữ
được được độ đồng nhất cao, sấy đông khô dung dịch đóng băng tạo muối
không ngậm nước, phân hủy tạo muối oxit. Phương pháp sấy phun plasma: kỹ
thuật plasma có thể chia thành 2 bước chính: quá trình bom hỗn hợp phản ứng,
quá trình hình thành và liên kết các giọt nóng chảy. Tiền chất sử dụng có thể là
rắn, lỏng, khí. Phương pháp nhiều ưu điểm, sản phẩm tinh khiết, kích thước hạt
nhỏ, hoạt tính cao. Do đó, đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như gốm,
điện tử và xúc tác.
Phương pháp tổng hợp thông qua phản ứng pha khí Phương pháp tổng
hợp qua phản ứng pha khí chủ yếu dùng để tổng hợp các màng perovskit, có
thể sử dụng nhiều kỹ thuật laser, phun xạ mantheron, bay hơi chùm điện tử ....
- Ưu điểm: phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật
liệu [2].
- Nhược điểm: chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của
chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo
rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì
nhiệt độ của nó có thể đến 9000°C [2].
Phương pháp tổng hợp trên chất mang Trong lĩnh vực xúc tác, các vật
liệu hoạt đòi hỏi có hoạt tính và độ bền cao. Do đó, chúng phải có một số tính
chất như bề mặt riêng lớn, hoạt tính oxi cao tính chọn lọc sản phẩm cao, cấu
trúc bền vững. Một số xúc tác perovskit như cobaltit và manganit thể hiện hoạt
tính cao đối với phản ứng oxi hóa CO và khử NO có thể so sánh với kim loại
quý hiếm. Tuy nhiên, xúc tác này hạn chế là do bị ngộ độc SO 2, bề mặt riêng

9


thấp, độ bền cơ học kém. Để khắc phục vấn đề này người ta phát triển phương
pháp phân tán các perovskit trên bề mặt chất mang.
1.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu bán dẫn nano
1.2.1. Giới thiệu về xúc tác quang bán dẫn
Thuật ngữ xúc tác quang đã được dùng từ những năm 1920 để mô tả các
phản ứng được thúc đẩy bởi sự tham gia đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác.
Vào giữa những năm 1920, chất bán dẫn ZnO được sử dụng làm chất nhạy sáng
trong phản ứng quang hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Ngay sau đó
TiO2 cũng đã được nghiên cứu về đặc điểm phân hủy quang này. Hầu hết các
nghiên cứu trong lĩnh vực hóa quang bán dẫn diễn ra vào những năm 1960, dẫn
đến việc ra đời pin hóa điện quang, sử dụng TiO2 và Pt làm điện cực để thực hiện
quá trình phân chia nước, vào đầu những năm 1970. Đầu những năm 1980, TiO2
được sử dụng lần đầu tiên xúc tác cho các phản ứng quang phân hủy các hợp
chất hữu cơ. Từ đó, các nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác quang chủ yếu tập
trung vào lĩnh vực oxi hóa xúc tác quang hóa các hợp chất hữu cơ trong môi
trường nước và tiêu diệt các loại vi khuẩn, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong môi
trường khí, ứng dụng trong xử lý môi trường nước bị ô nhiễm.
Cho tới nay, nhiều chất bán dẫn có hoạt tính xúc tác quang đã được
nghiên cứu như: TiO2 (năng lượng vùng cấm bằng 3,2 eV); SrTiO3 (3,4 eV),
Fe2O3 (2,2 eV); CdS (2,5 eV); WO3 (2,8 eV); ZnS (3,6 eV); FeTiO3 (2,8 eV);
ZrO2 (5 eV); V2O5 (2,8 eV); Nb2O5 (3,4 eV); SnO2 (3,5 eV)….Trong những
chất bán dẫn trên, cho tới nay TiO2 được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất vì
nó có năng lượng vùng cấm trung bình, không độc, diện tích bề mặt riêng cao,
giá thành rẻ, có khả năng tái chế, hoạt tính quang hóa cao, bền hóa học và
quang hóa.
Chất quang xúc tác bán dẫn SrTiO3 đã được các nhà khoa học trên thế
giới nghiên cứu ứng dụng như: Tổng hợp SrTiO3 pha tạp Cr để chuyển hóa CO2

10


thành CH4; tổng hợp SrTiO3 pha tạp Rh/Sb để phân hủy nước thành H2 và O2;
Tổng hợp SrTiO3 pha tạp Cr để phân hủy xanh metylen. Ở trong nước thì
SrTiO3 là vật liệu mới chưa có nhiều nghiên cứu.
1.2.2. Cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn
Xét về khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn thường được chia thành chất
dẫn điện, bán dẫn và chất cách điện. Nguyên nhân của sự khác nhau về tính dẫn
điện là do chúng khác nhau về cấu trúc vùng năng lượng. Ở kim loại, các mức
năng lượng liên tục, các electron hóa trị dễ dàng bị kích thích thành các
electron dẫn. Ở chất bán dẫn và chất cách điện, vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn
(CB) được cách nhau một vùng trống, không có mức năng lượng nào. Vùng
năng lượng trống này được gọi là vùng cấm. Năng lượng khác biệt giữa hai
vùng VB và CB được gọi là năng lượng vùng cấm (Eg). Khi bị kích thích với
năng lượng thích hợp, các electron trên vùng hóa trị có thể nhảy lên vùng dẫn
và hình thành một lỗ trống trên vùng hóa trị. Cặp electron dẫn trên vùng dẫn và
lỗ trống trên vùng hóa trị là hạt tải điện chính của chất bán dẫn [3].
Trong xúc tác quang, khi chất bán dẫn bị kích thích bởi một photon có
năng lượng lớn hơn năng lượng vùng dẫn thì một cặp electron - lỗ trống được
hình thành. Thời gian sống của lỗ trống và electron dẫn là rất nhỏ, cỡ nanô
giây. Sau khi hình thành, cặp electron - lỗ trống có thể trải qua một số quá
trình như: tái hợp sinh ra nhiệt; lỗ trống và electron di chuyến đến bề mặt và
tương tác với các chất cho và chất nhận electron. Trong các quá trình trên, các
quá trình tái hợp làm cho hiệu suất của quá trình xúc tác quang giảm. Quá trình
cho nhận electron trên bề mặt chất bán dẫn sẽ hiệu quả hơn nếu các tiểu phân
vô cơ hoặc hữu cơ đã được hấp phụ sẵn trên bề mặt. Xác suất và tốc độ của quá
trình oxi hóa và khử của các electron và lỗ trống phụ thuộc vào vị trí bờ vùng
dẫn, vùng hóa trị và thế oxi hóa khử của tiểu phân hấp phụ [3].

11


Hình 1.3. Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu xạ
với bước sóng thích hợp
Trong đó:
1. Sự kích thích vùng cấm;
2. Sự tái hợp electron và lỗ trống trong khối;
3. Sự tái hợp electron và lỗ trống trên bề mặt;
4. Sự di chuyển electron trong khối;
5. Electron di chuyển tới bề mặt và tương tác với chất nhận (acceptor);
6. Lỗ trống di chuyển tới bề mặt và tương tác với chất cho.
Trong xúc tác quang, TiO2 là một xúc tác lý tưởng vì nó bền về mặt hóa
học và lỗ trống sinh ra trong TiO2 có tính oxi hóa cao. Như được chỉ ra ở hình
1.5, thế oxi hóa của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO2 là + 2,53V so với thế điện
cực chuẩn của điện cực hidro, trong dung dịch nước pH = 7. Lỗ trống này dễ
dàng tác dụng với phân tử nước hoặc anion hidroxyl trên bề mặt của TiO 2 tạo
thành gốc hiđroxyl tự do. Thế của cặp HO●/OH- chỉ nhỏ hơn so với thế oxi hóa
của lỗ trống một chút nhưng vẫn lớn hơn thế oxi hóa của ozôn (O3/O2) [3].
TiO2 + h → e-cb + h+(vb)
h+ + H2O → HO● + H+
h+ + OHˉ → HO●

12


Hình 1.4. Giản đồ thế oxi hóa khử của các cặp chất trên bề mặt TiO2
Thế oxi hóa khử của electron trên vùng dẫn sinh ra bởi TiO 2 là -0,52V,
đủ âm để có thể khử phân tử oxi thành anion superoxit.
e-cb + O2 → O2ˉ
O2ˉ + H+ → HOO●
HOO● + H2O → H2O2 + HO●

Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile.

13


Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế
chuẩn là 0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng
nghĩa với một thế khử mạnh hơn. Theo như giản đồ hình 1.6 thì anatase có khả
năng khử O2 thành O2-, như vậy là ở anatase các electron chuyển lên vùng dẫn
có khả năng khử O2 thành O2-. Sự hình thành các gốc OH● và O2- được minh
họa ở hình 1.7

Hình 1.6. Sự hình thành gốc HO● và O2-.
Các gốc HO● có tính oxi hóa mạnh không chọn lọc nên khi có mặt TiO2
làm xúc tác trong điều kiện chiếu sáng, sẽ oxi hóa được nhiều hợp chất hữu cơ
R + HO● → R’● + H2O
R’● + O2 → Sản phẩm phân hủy
Quá trình oxi hóa các chất hữu cơ cũng có thể xảy ra do phản ứng trực
tiếp của chúng với lỗ trống quang hóa để tạo thành các gốc tự do sau đó phân
hủy dây chuyền tạo thành sản phẩm.
R + h+υb → R’● + O2 → Sản phẩm phân hủy
RCOO- + h+υb → R● +CO2
Dạng anatase có khả năng khử O2 thành O2- còn rutile thì không. Do đó
anatase có khả năng nhận đồng thời oxi và hơi nước từ không khí cùng ánh sáng
tử ngoại để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể anatase dưới tác dụng của
ánh sáng tử ngoại đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ H2O
sang O2, chuyển hai chất này thành dạng O 2 và HO● là hai dạng có hoạt tính oxi
hóa cao có khả năng phân hủy chất hữu cơ thành H2O và CO2.
14


Như vậy khi TiO2 anatase được chiếu sáng với photon có năng lượng lớn
hơn năng lượng Eg sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống linh động. Trong khí quyển
có rất nhiều hơi nước, oxi; mà thế oxi hoá - khử của nước và oxi thoả mãn yêu
cầu trên nên nước đóng vai trò là chất cho và khí oxi đóng vai trò là chất nhận
để tạo ra các chất mới có tính oxi hoá - khử mạnh (HO● và O2-) có thể oxi hoá
hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật liệu.
1.3. Ứng dụng của vật liệu nano
1.3.1. Trong ngành công nghiệp
Hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano
vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc
iPod đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh…
1.3.2. Trong y học
Để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng
các tế bào ung thư qua các hạt đóng vai trò là “xe tải kéo’’, tránh được hiệu ứng
phụ gây ra cho các tế bào lành. Y tế ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu
bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có
nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch,
các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung, mất trí nhớ,
rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này. Đối với việc
sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành phẩu thuật thẩm mỹ, nhiều lọai thuốc
thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da. Đây là một
thị trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời
như công nghệ [11, 12].
Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ vào việc giải quyết
các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng
gia tăng. Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí rất tối
tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi.

15


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×