Nghiên cứu điều chế vật liệu ống nano TiO2, phân tích đặc tính và khả năng xử lý etanol

Trong nghiên cứu này ống nano titan đioxit được điều chếtừ dạng hạt. Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy nhiệt điều chế ống nano TiO2 được xác định. Đặc điểm hình thái, pha tinh thể, thành phần được phân tích dựa vào các phương pháp: chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ khối thời gian bay của ion thứ cấp (TOF-SIMS), phổ khả kiến và tử ngoại (UV-Vis). Kích thước ống nano sau điều chế có đường kính đồng đều cỡ 10-12nm và chiều dài trung bình 150nm, có diện tích bề mặt tăng đáng kể so với dạng hạt ban đầu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu điều chế vật liệu ống nano TiO2, phân tích đặc tính và khả năng xử lý etanol Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 34, Số 2 (2018) 83-90 Nghiên cứu điều chế vật liệu ống nano TiO2, phân tích đặc tính và khả năng xử lý etanol Nguyễn Hải Minh, Vũ Hà Giang, Phạm Văn Phong, Lê Thị Hoàng Oanh, Hoàng Văn Hà* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Viê ̣t Nam Nhận ngày 18 tháng 5 năm 2018 Chỉnh sửa ngày 12 tháng 6 năm 2018; Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 6 năm 2018 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này ống nano titan đioxit được điều chếtừ dạng hạt. Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy nhiệt điều chế ống nano TiO2 được xác định. Đặc điểm hình thái, pha tinh thể, thành phần được phân tích dựa vào các phương pháp: chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ khối thời gian bay của ion thứ cấp (TOF-SIMS), phổ khả kiến và tử ngoại (UV-Vis). Kích thước ống nano sau điều chế có đường kính đồng đều cỡ 10-12nm và chiều dài trung bình 150nm, có diện tích bề mặt tăng đáng kể so với dạng hạt ban đầu. Hoạt tính xúc tác của hạt TiO 2, hạt TiO2pha tạp nitơ, ống nano TiO2 và ống nano sau khi pha tạp ở các tỷ lệ khác nhau được xác định thông qua khả năng quang xúc tác phân hủy etanol khi được chiếu sáng bằng đèn phát tia UV . Từ khóa: Titan đioxit, ống nano, VOCs, thủy nhiệt, xúc tác quang. 1. Mở đầu tốc độ tái tổ hợp nhanh chóng của các cặp electron/lỗ trống (e-/h+) nên hoạt tính quang xúc tác của hạt nano TiO2 thương mại vẫn còn nhiều hạn chế [2]. TiO2 dạng ống nano lần đầu tiên được điều chế năm 1996 bởi Hoyer bằng phương pháp mạ điện dựa trên nền/khuôn nhôm oxit rỗng [3]. So với TiO2 ở dạng hạt nano thì TiO2 ở dạng ống nano có nhiều đặc tính tốt làm tăng khả năng xúc tác quang như có diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ trống lớn, khả năng trao đổi ion tốt, giảm tốc độ tái tổ hợp của cặp e-/h+và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng do tỉ lệ chiều dài ống so với đường kính ống là lớn[4]. Có 3 phương pháp chính để điều chế ra vật liệu TiO2 dạng ống là Hiện nay những ứng dụng của vật liệu xúc tác quang ngày càng được quan tâm nhất là trong lĩnh vực năng lượng và làm sạch. TiO2 là một trong số những chất xúc tác quang được áp dụng rộng rãi trên quy mô công nghiệp do hoạt tính xúc tác cao, tính ổn định, giá thành rẻ và không độc, đồng thời nó cũng cho thấy khả năng làm sạch nước và không khí tốt [1]. Tuy nhiên, do diện tích bề mặt riêng nhỏ cũng như _______  Tác giả liên hệ. ĐT.: 84-963832819. Email: hoangvanha@hus.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1140/vnunst.4744 83 84 N.H. Minh và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 34, Số 2 (2018) 83-90 dùng khuôn, oxi hoá điện cực anot và thuỷ nhiệt. Trong đó, thuỷ nhiệt là phương pháp được sử dụng phổ biến để điều chế TiO2 dạng ống bởi hiệu suất cao, quy trình thực hiện đơn giản, chi phí thấp và tạo ra vật liệu dạng ống nano có độ đồng nhất cao. Các yếu tố như: tiền chất TiO2, điều kiện thuỷ nhiệt (nhiệt độ, nồng độ chất phản ứng, thời gian thuỷ nhiệt), quá trình ngâm rửa vật liệu (nồng độ axit, thời gian rửa) đóng vai trò quan trọng và kiểm soát cấu trúc, tính chất hoá lý của vật liệu [4]. Tuy nhiên theo nghiên cứu của Bavykin, năng lượng vùng khe của TiO2 dạng ống là 3,87 eV (lớn hơn so với TiO2 dạng hạt nano), do vậy để thu hẹp năng lượng vùng cấm cần pha tạp kim loại hoặc phi kim vào vật liệu [5]. Trong nghiên cứu này, nitơ sẽ được pha tạp vào cấu trúc dạng ống nano của TiO2. Việc pha tạp Nitơ sẽ giúp thu hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2 tạo ra chất xúc tác có hoạt tính trong dải bước sóngánh sáng rộng hơn, do obitan 2p của nitơ có điện thế cao hơn obitan 2p của oxi và tạo ra vùng hóa trị mới trên vùng hóa trị của oxi. Các chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là nhóm các chất chính gây ô nhiễm môi trường trong nhà và gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực tới sức khỏe con người. Có nhiều kĩ thuật lọc khí khác nhau để loại bỏ VOCs, tuy nhiên phương pháp oxi hóa quang xúc tác dị thể bằng cách sử dụng các chất xúc tác như TiO2, ZnO, WO3, ZnS, CdS,... được kích hoạt bằng tia UV ở điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh cho thấy tiềm năng để xử lý VOCs[6]. Trong nghiên cứu này, TiO2 dạng ống nano được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt trong môi trường kiềm ở một số nhiệt độ khác nhau. Dựa trên hình thái cấu trúc và thành phần pha tinh thể lựa chọn ra sản phẩm với điều kiện thủy nhiệt tối ưu, sau đó ống nano TiO2 tiếp tục được pha tạp với N ở các tỉ lệ mol khác nhau và được phủ lên bề mặt kính với một lượng nhất định (vật liệu xúc tác quang). Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu được kiểm tra dựa trên khả năng quang phân hủy etanol. 2. Thực nghiệm 2.1. Hóa chất, thiết bị Trong nghiên cứu này, TiO2 thương mại được sử dụng làm nguyên liệu để chế tạo ống nano TiO2, urea - (NH2)2CO (99%) được dùng làm nguồn cung cấp N cho quá trình pha tạp. Thiết bị, dụng cụ: Autoclave, lò lung nhiệt độ c ...