Nghiên cứu biến tính TiO2 với kim loại Ce và Fe bằng phương pháp Sol-Gel

Biến tính kim loại TiO2 với kim loại Ce và Fe đã được nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công. Nghiên cứu tính chất bằng các phương pháp đo trắc quang (UV-Vis), hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phổ Raman xác định khả năng xúc tác quang của vật sau biến tính. Vật liệu Ce-TiO2, Fe-TiO2 và Ce-Fe-TiO2 với năng lượng vùng cấm lần lượt là E1= 2,46 eV, E2= 2,7 8 eV và E3= 2,28 eV có khả năng ứng dụng xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu biến tính TiO2 với kim loại Ce và Fe bằng phương pháp Sol-Gel THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghiên cứu biến tính TiO2 với kim loại Ce và Fe bằng phương pháp Sol-Gel Study on modifying TiO2 with Ce and Fe by sol-gel method Nguyễn Thị Đào Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, daocnh@gmail.com Tóm tắt Biến tính kim loại TiO2 với kim loại Ce và Fe đã được nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công. Nghiên cứu tính chất bằng các phương pháp đo trắc quang (UV-Vis), hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phổ Raman xác định khả năng xúc tác quang của vật sau biến tính. Vật liệu Ce-TiO2, Fe-TiO2 và Ce-Fe-TiO2 với năng lượng vùng cấm lần lượt là E1= 2,46 eV, E2= 2,7 8 eV và E3= 2,28 eV có khả năng ứng dụng xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Từ khóa: Biến tính kim loại, TiO2, xúc tác quang. Abstract Modified TiO2 with metal metallic Ce and Fe was successfully synthesized. The material’s characteristics were identified using UV-Vis photometry, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy method to determine the photocatalytic ability of the material after modification. Ce-TiO2, Fe-TiO2 and Fe-Ce-TiO2 with energy-restricted areas E1= 2,46 eV, E2= 2,78 eV and E3= 2.28 eV respectively, have the application potential for catalysis under the visible light. Keywords: Modified metal, TiO2, photocatalysis. 1. Mở đầu Chất quang xúc tác TiO2 này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý môi trường như diệt khuẩn, phân hủy các chất hữu cơ độc hại, xử lý nước, không khí,… Tuy nhiên một yếu tố làm hạn chế phần nào ứng dụng của chất quang xúc tác này là nó chỉ hoạt động hiệu quả dưới sự chiếu sáng của tia tử ngoại (UV). Vì vậy người ta luôn mong muốn tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên để xử lý môi trường, khắc phục hạn chế của các vật liệu quang hoá chỉ sử dụng đèn UV. Và do đó các loại vật liệu xúc tác quang hoá mới đã được đề xuất. Một giải pháp là biến tính TiO2 bằng cách thay thế vào mạng lưới ion Ti trong tinh thể TiO2 với các kim loại như Ce, Fe và phi kim như nitơ, lưu huỳnh theo đó làm tăng tính chất nhạy quang và hoạt tính xúc tác với ánh sáng nhìn thấy [6, 11]. Biến tính (doping) các xúc tác quang với các ion kim loại (ví dụ Cr3+, Fe3+,…), những ion này tạo ra những mức năng lượng trong vùng cấm của xúc tác và dẫn đến vùng hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng phổ khả kiến [4, 12, 13]. Người ta giả thiết rằng sự kích thích quang của các tạp chất này có thể dẫn đến sự hình thành các hạt tải điện tự do khơi mào các quá trình hóa học trên bề mặt. Tuy nhiên, hiệu suất của các hệ này trong vùng ánh sáng nhìn thấy phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp được sử dụng. Trong một số trường hợp, những xúc tác biến tính này không có hoạt tính trong vùng ánh sáng nhìn thấy và hoạt tính thấp hơn trong vùng tử ngoại so với những xúc tác không biến tính, vì tốc độ quá trình tái hợp của các hạt tải điện thông qua các mức năng lượng của ion kim loại [2, 9]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano TiO2 biến tính (doping) kim loại bằng Ce, Fe, bằng phương pháp sol-gel. 2. Thực nghiệm 2.1. Hóa chất Các hóa chất: xanh metylen(MB), Ce(SO4)2.4H2O, FeCl3.5H2O, Ti(OC4H9)4 (TBOT), TiO2 (P25), etanol (C2H5OH). HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 591 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 2.2. Dụng cụ, thiết bị Pipet các loại, cốc các loại, máy khuấy cơ, máy khuấy từ, tủ sấy, lò nung, cân điện tử, lò phản ứng, máy đo quang,… 2.3. Phương pháp tổng hợp biến tính Cho 40ml TBOT vào 80 ml etanol khuấy đều được dung dịch trong suốt, cho từ từ từng giọt Ce(SO4)2 đã hòa tan với nước cất. Hàm lượng Ce(SO4)2 đưa vào hỗn hợp theo tỷ lệ Ti : Ce = 100 : 1 (1% về số mol), khuấy mạnh dung dịch sau đó điều chỉnh pH của dung dịch bằng dd NH3 25% đến pH= 9, thêm 1ml nước để thúc đẩy quá trình thủy phân thu được dung dịch sol đồng nhất. Để khô sol ở điều kiện thường rồi sấy ở 4000C ở 3 giờ để bay hơi hết phần hữu cơ, thu được chất rắn sau đó đem nung chất rắn ở 5500C trong 4 giờ, thu được sản phẩm. Sản phẩm thu được có mầu vàng của Ce. Quy trình tổng hợp vật liệu Fe-TiO2 và vật liệu Fe-Ce-TiO2 cũng tương tự như quy trình tổng hợp vật liệu Ce-TiO2, tương tự về cách thức tiến hành và tỉ lệ phần mol đều là 1% về số mol với dung dịch FeCl3. 2.4. Phương pháp xác định - Hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu vật liệu được ghi trên máy JSM-5300 LV của hãng Jeol (Nhật Bản) Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam [5]. - Các giản đồ nhiễu xạ ...