Nghiên cứu biến tính ZnO bằng graphen ứng dụng xử lý phẩm màu DB 71 trong môi trường nước

Graphen được tạo thành bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) trên ZnO dạng phiến mỏng ở 550 độC trong các khoảng thời gian 5,10 và 30 phút. ZnO được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt ở 125 độ C trong 10 giờ. Cấu trúc và tính chất của vật liệu được xác định bằng các phương pháp XRD, TEM, SEM và TGA. ZnO tổng hợp được có cấu trúc phiến mỏng, đồng đều.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu biến tính ZnO bằng graphen ứng dụng xử lý phẩm màu DB 71 trong môi trường nướcNghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH ZnO BẰNG GRAPHEN ỨNG DỤNG XỬ LÝ PHẨM MÀU DB 71 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Nguyễn Mạnh Tường* Tóm tắt: Graphen được tạo thành bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) trên ZnO dạng phiến mỏng ở 550oC trong các khoảng thời gian 5,10 và 30 phút. ZnO được điều chế bằng phương pháp thuỷ nhiệt ở 125oC trong 10 giờ. Cấu trúc và tính chất của vật liệu được xác định bằng các phương pháp XRD, TEM, SEM và TGA. ZnO tổng hợp được có cấu trúc phiến mỏng, đồng đều. Graphen trên nền ZnO có trọng lượng 5-15% và được sử dụng trực tiếp làm vật liệu xúc tác quang xử lý các chất hữu cơ độc hại bền trong môi trường nước. Kết quả khảo sát trực tiếp trên phẩm xanh DB71 cho thấy khả năng xử lý màu của vật liệu là rất tốt. Kết quả khảo sát cũng chỉ ra rằng thời gian tổng hợp vật liệu có ảnh hưởng tới tỉ lệ của Graphen/ZnO cũng như khả năng xử lý màu của phẩm xanh DB71. Vật liệu Graphen/ZnO được tổng hợp trong thời gian 5 phút mang lại hiệu quả xử lý tốt nhất, đạt đến hiệu quả xử lý hơn 97% sau khoảng thời gian 30 phút trong điều kiện chiếu tia UV.Từ khóa: Vật liệu xúc tác quang, Hiệu suất xử lý, G/ZnO, CVD. 1. MỞ ĐẦU Kẽm oxit (ZnO) là một chất bán dẫn quan trọng có năng lượng vùng cấm3.37eV ở nhiệt độ phòng, có lực liên kết lớn và nhiệt độ nóng chảy cao [1]. Độ linhđộng điện tử của ZnO khá cao và phụ thuộc vào nhiệt độ (2000 cm2/(V·s) ở 80 K)[2], do đó, sự tái kết hợp của electron quang sinh và lỗ trống diễn ra nhanh, hơnnữa khả năng tái sử dụng của ZnO thấp do bị ăn mòn quang học khi bị chiếu sáng.Những lí do này làm giảm khả năng quang xúc tác của nano ZnO. Graphen đang là vật liệu nhận được nhiều sự chú ý và quan tâm của nhiều nhàkhoa học do những tính chất ưu việt và ứng dụng đặc biệt của nó. Graphen có cấutrúc phẳng, độ dày bằng một lớp nguyên tử, các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 tạothành dạng tinh thể hình tổ ong. Do tính dẫn điện tốt, diện tích bề mặt riêng lớn vàbền hóa học nên graphen được dùng để chế tạo vật liệu tổ hợp với oxit kim loạiứng dụng xử lý các hợp chất hữu cơ trong môi trường nước. Gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công vật liệu composit G/ZnOvà mang lại hiệu quả xúc tác quang cao. Fan và cộng sự đã tổng hợp G/ZnO bằngphương pháp thủy nhiệt từ bột GO và dung dịch có chứa huyền phù ZnO [5]. Dướiđiều kiện chiếu UV, composit thể hiện khả năng xúc tác quang tốt hơn thôngthường. Hossain và cộng sự [3] tổng hợp trong dung môi, đi từ kẽm axetat vàgraphit trong 1-metyl-2-pyrrolidinone được đun hồi lưu trong 2 giờ ở 150oC. Khảnăng phân hủy phẩm và tái sử dụng của vật liệu tổ hợp là rất cao. Yang và cộng sựtổng hợp vật liệu G/ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt [6,7]. Trong phươngpháp này các hạt ZnO được gắn vào bề mặt và các cạnh của màng graphen, ngăncản sự co cụm lại của các màng này. Sau đó G/ZnO có thể được hình thành trựctiếp từ sự khử của graphen oxit [4]. Phẩm màu DB71 thuộc nhóm azo hay thuốc nhuộm trực tiếp được gọi là DirectBlue 71 (DB-71), có công thức C40H23N7Na4O13S4), cấu trúc nêu ở hình 1. Loạiphẩm màu này được dùng phổ biến trong ngành dệt nhuộm.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 163 Hóa học & Kỹ thuật môi trường Hình 1. Cấu trúc thuốc nhuộm DB 71. Trong bài báo này, chúng tôi đã biến tính ZnO bằng cách tạo ra graphen trựctiếp trên bề mặt của ZnO dạng phiến bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học(CVD) đi từ cyclohexan và sử dụng trực tiếp làm vật liệu xúc tác quang xử lýphẩm xanh DB 71. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và có thể áp dụng ởquy mô công nghiệp. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và thiết bị Các hoá chất được sử dụng trong nghiên cứu là: kẽm sunfat, natri hidroxit,xyclo hexan, phẩm màu DB 71 và một số khí trơ. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL TEM 5410 có điện thế 40-100kV, độphân giải với điểm ảnh là 0,2 nm, đối với ảnh mạng tinh thể là 0,15, độ phóng đạitừ 20-500.000 lần. Các mẫu SEM được chụp trên kính hiển vi điện tử quét SEMJeol JSM – 7500F. Máy phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ghi lại sự mất khốilượng theo nhiệt độ. Thiết bị ghi phổ nhiễu xạ XRD xác định cấu trúc tinh thể củamẫu. Máy UV-vis mẫu rắn ghi lại bước sóng hấp phụ quang của vật liệu, xác địnhnăng lượng vùng cấm.2.2. Biến tính ZnO Biến tính ZnO được tiến hành thông qua hai bước: bước thứ nhất chế tạo ZnOdạng phiến mỏng; bước thứ hai nhiệt phân khí xyclohexan trên ZnO dạng phiến ởnhiệt độ 550oC, thời gian 5-30 phút.2.2.1. Tổng hợp ZnO dạng phiến Cân 28,7g ZnSO4.7H2O, phân tán vào 400 ml nước cất, gia nhiệt đến 70 oC vàkhuấy liên tục trên bếp từ. Sau đó, cho từ từ 52 ml ...