Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO

Trong báo cáo "Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO", vật liệu nanocomposite ZnO – CuO được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các tính chất của vật liệu composite đã được khảo sát thông qua các phép đo: nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis, phổ FTIR, hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ Cr (VI) của vật liệu Nanocomposite ZnO – CuO KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr (VI) CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE ZnO – CuO Nguyễn Thị Hương, Lớp K60TN, Khoa Vật lí GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Nguyễn Đăng Phú Tóm tắt: Nano ZnO là bán dẫn vùng cấm rộng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tổ hợp ZnO – CuO được nghiên cứu nhằm làm giảm độ rộng vùng cấm của vật liệu để ứng dụng cho những nghiên cứu trong vùng bức xạ khả kiến. Trong báo cáo này, vật liệu nanocomposite ZnO – CuO được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các tính chất của vật liệu composite đã được khảo sát thông qua các phép đo: nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis, phổ FTIR, hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM). Các kết quả nghiên cứu trên đã chứng tỏ vật liệu được composite từ hai pha hexagonal của ZnO và monoclinic của CuO. Hiệu ứng quang xúc tác và khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) bước đầu được nghiên cứu. Kết quả đo cho thấy phản ứng quang xúc tác làm mất màu xanh metylen dưới bức xạ của đèn Xe mạnh hơn so với ZnO hoặc CuO tinh khiết. Vật liệu nanocomposite ZnO – CuO đã làm giảm nồng độ ion Cr(VI) từ 10 mg/l xuống 0,1 mg/l. Các kết quả trên cho thấy vật liệu nanocomposite ZnO-CuO có nhiều triển vọng ứng dụng trong xử lí nước ô nhiễm chất hữu cơ và kim loại nặng. Từ khóa: Bán dẫn hai thành phần, ZnO – CuO, quang xúc tác, hấp phụ Cr(VI). I. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các oxit bán dẫn trong quá trình oxi hoá các hợp chất hữu cơ và chất màu nhờ quá trình quang xúc tác đã nhận đƣợc sự quan tâm nghiên cứu bởi hiệu suất quang xúc tác cao, giá thành thấp và thân thiện với môi trƣờng. ZnO là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AIIBIV có độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37 eV), chuyển mức điện tử thẳng cho hiệu suất lƣợng tử cao, exciton tự do có năng lƣợng liên kết lớn (60 meV) và là chất quang xúc tác mạnh, có thể dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại và diệt khuẩn trong môi trƣờng nƣớc và không khí [4, 11, 12]. Nhƣng việc ứng dụng ZnO trong xử lí môi trƣờng còn hạn chế do khả năng quang xúc tác chỉ xảy ra dƣới bức xạ tử ngoại [1], mà bức xạ này chỉ chiếm từ 4 đến 5% trong bức xạ Mặt Trời. Đã có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích tăng khả năng quang xúc tác của ZnO trong vùng ánh sáng khả kiến nhƣ: Thay đổi kích thƣớc hạt, thay đổi bề mặt [8, 9], tổ hợp với bán dẫn khác để làm giảm độ rộng vùng cấm hiệu dụng của vật liệu. Một số nghiên cứu tổ hợp ZnO với SnO2, Fe2O3, WO3, CdS, ZnS,… trong đó có CuO [5, 6, 7] đã phát hiện bề rộng vùng cấm hiệu dụng của vật liệu tổ hợp giảm, không xuất hiện các tâm tán xạ và kết quả hoạt động quang xúc tác hiệu quả hơn. CuO là vật liệu bán dẫn loại p đƣợc quan tâm chú ý do có vùng cấm hẹp (Eg=1,2 eV), khi tổ hợp với ZnO tạo ra lớp chuyển tiếp dị thể p-n [3, 6]. Lớp chuyển tiếp dị thể p- n của vật liệu composite ZnO – CuO tạo điều kiện cho các quá trình truyền hạt dẫn giữa hai chất bán dẫn, dẫn đến độ rộng vùng cấm hiệu dụng giảm [2, 10]. Một trong các ứng dụng quan trọng của vật liệu composite ZnO – CuO là tác dụng phân hủy chất hữu cơ nhờ hoạt tính quang xúc tác. Trong phòng thí nghiệm, hoạt tính quang xúc tác thƣờng 46 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 đƣợc nghiên cứu bằng tác dụng khử màu xanh metylen bằng kích thích của bức xạ đèn Xenon. Trong báo cáo này, nanocomposite ZnO – CuO đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ủ bình thủy nhiệt. Các phƣơng pháp nghiên cứu XRD, HRTEM, SEM đã xác định mẫu chế tạo là tổ hợp của hai pha ZnO và CuO. Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ mẫu nanocomposite ZnO – CuO chế tạo đƣợc có khả năng quang xúc tác khử màu xanh metylen và hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) hiệu quả hơn so với ZnO và CuO. II. NỘI DUNG 1. Thực nghiệm 1.1. Chế tạo mẫu ZnO – CuO composite Hòa tan NaOH và hỗn hợp ZnCl2 và CuSO4 trong nƣớc cất. Khuấy từ hỗn hợp dung dịch ZnCl2 và CuSO4 ở nhiệt độ phòng. Trong 2-5 phút đầu, nhỏ từ từ dung dịch NaOH vào hỗn hợp dung dịch trên. Cho dung dịch vào bình thủy nhiệt, sau đó dung dịch đƣợc ủ trong bình thủy nhiệt: nhiệt độ 80-850C trong 3-4 giờ. Sau đó, tiếp tục ủ ở nhiệt độ 95-1000C trong 15 giờ. Để nhiệt độ của mẫu giảm tự nhiên về nhiệt độ phòng, sau đó quay li tâm dung dịch để tách kết tủa. Tiếp tục rung siêu âm và quay li tâm khoảng 5-6 lần. Mẫu đƣợc sấy ở 800C trong 5 giờ, sau đó đƣợc nghiền nhỏ thành bột, ta thu đƣợc composite ZnO – CuO. Mẫu đƣợc chế tạo với những tỉ lệ thành phần ZnO – CuO khác nhau: 20-1, 30-1, 40-1, 50-1, 60-1. 1.2. Khảo sát quang xúc tác ZnO – CuO Cân 30 mg ZnO – CuO cho vào 50 mL nƣớc cất. Rung siêu âm 30 phút. Cho 50 mL dung dịch MB 100 ppm vào 50 mL dung dịch ZnO – CuO. Mẫu đƣợc chiếu xạ bằng đèn Xe, sau mỗi khoảng thời gian 10, 30, 60, 90, 120, 150, 180 phút lấy ra 8 mL dung dịch. Dung dịch đƣợc quay li tâm để tách kết tủa trƣớc khi đo hấp thụ. 1.3. Khảo sát hấp phụ Cr (VI) Cân 100 mg ZnO – CuO cho vào 50 mL nƣớc cất. Rung siêu âm 20 phút. Cho 50 mL dung dịch K2Cr2O7 100 ppm vào 50 mL dung dịch ZnO – CuO. Khuấy đều dung dịch, sau mỗi khoảng thời gian 10, 20, 30, 40, 50, 60 phút lấy ra 10 mL dung dịch. Dung dịch đƣợc quay li tâm để tách kết tủa trƣớc khi đo hấp thụ. 2. Kết quả và thảo luận 2.1. Khảo sát cấu trúc 2.1.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) Giản đồ nhiễu xạ tia X của composite ZnO – CuO với các tỉ lệ Cu2+ khác nhau (Hình 1) cho thấy ngoài các đỉnh của ZnO, chỉ ở mẫu có tỉ lệ CuO lớn (ZnO – CuO 20-1, ZnO – CuO 30-1) mới xuất hiện thêm các đỉnh của CuO tại các vị ...