Nghiên cứu phản ứng quang oxy hóa xanh methylen trên xúc tác TiO2 nano dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời

Trong nghiên cứu này, phản ứng quang hoá oxy hoá xanh methylen trên các xúc tác đã được tổng hợp sẽ được trình bày. động học phân huỷ theo mô hình phân huỷ LangmurHinshelwood cũng sẽ được thảo luận.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu phản ứng quang oxy hóa xanh methylen trên xúc tác TiO2 nano dưới tác dụng của ánh sáng mặt trờiTẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG QUANG OXY HÓA XANH METHYLENTRÊN XÚC TÁC TiO2 NANO DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG MẶT TRỜITrần Thái Hoà, Lê Thị Hoà, ðinh Quang KhiếuTrường ðại học Khoa học, ðại học HuếTrần Quốc Việt, Sở Khoa học và Công nghệ, tỉnh Thừa Thiên HuếLê Công Sơn, Trung tâm Bảo tồn Di tích Cố ñô HuếTÓM TẮTBài báo này trình bày hoạt tính xúc tác quang oxi hóa xanh methylen trên xúc tác TiO2dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Hình thái của TiO2 nano ảnh hưởng ñến hoạt tính xúc táccủa nó. TiO2 nano kích thước 20 - 70 nm thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn các hạt TiO2 hìnhcầu ñường kính cỡ micromet hình thành từ sự kết cụm của một số hạt kích thước khoảng 25 nm,do các hạt bên trong ít ñược kích hoạt. Sự oxi hóa xanh methylen trên xúc tác quang TiO2 nanotuân theo ñộng học Langmuir Hinshelwood.1. ðặt vấn ñềVật liệu TiO2 nano có nhiều ứng dụng liên quan ñến tính chất quang của nóchẳng hạn như quá trình quang xúc tác phân hủy rất nhiều loại hợp chất hữu cơ ô nhiễm[1,2] và diệt khuẩn ñặc biệt là với vi khuẩn E.Coli [3] v.v… Tuy nhiên, những ứng dụngnày lại bị cản trở bởi vùng cấm năng lượng của nó. Chính do vùng cấm năng lượng củaTiO2 nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại chiếm khoảng 10% năng lượng mặt trời (3.0 eVñối với pha rutile và 3,2 eV ñối với pha anatase). Vì vậy, cần phải cải thiện hoạt tính củaTiO2 bằng cách chuyển vùng sáng kích thích từ tử ngoại sang khả kiến. Có hai hướngchính ñể giải quyết vấn ñề này: thứ nhất, ñiều chế vật liệu oxit titan ở kích thích nano ñểsử dụng triệt ñể hơn ánh sáng UV của mặt trời [4]; thứ hai pha tạp vào TiO2 một nguyêntố kim loại hay phi kim loại nhằm thu hẹp khoảng cách vùng cấm [5].Ở Việt Nam, vật liệu TiO2 nano ñã ñược nhiều nhà khoa học quan tâm. Tác giảNguyễn Văn Dũng và cộng sự [6] ñã công bố nghiên cứu ñiều chế vật liệu xúc tácquang hóa TiO2 từ sa khoáng ilmenite và thử hoạt tính xúc tác của TiO2 trong phản ứngquang phân huỷ axít orange 10. Kết quả nghiên cứu cho thấy, có mối tương quan giữañộ tinh thể hoá của pha anatase với hoạt tính quang hoá xúc tác của TiO2. Hoạt tínhquang hóa tốt nhất thu ñược với mẫu có ñộ tinh thể hoá cao với kích thước tinh thểtrung bình của pha anatase khoảng 20 nm, tương ứng với mẫu ñược nung ở nhiệt ñộ bắtñầu xảy ra sự chuyển pha cấu trúc anatase-rutile. Tác giả Trần Quang Trung và ñồng sự[7] ñã công bố nghiên cứu tổng hợp thành công hạt TiO2 chế tạo bằng phương pháp solgel ứng dụng trong quang xúc tác. Khả năng quang xúc tác của hạt TiO2 ñược khảo sát87thông qua sự phân huỷ của dung dịch methylene blue (MB) có chứa hạt dưới áng sángcủa ñèn thuỷ ngân khử nước. Với những thông số chế tạo tối ưu, tốc ñộ phân huỷ MBñạt ñến 89,7% sau 1 giờ chiếu.Trong nghiên cứu trước ñây, chúng tôi ñã trình bày phương pháp tổng hợp nanooxide titanium có hình thái khác nhau bằng phương pháp tạo hệ vi nhũ tương ñảo [8].Trong nghiên cứu này, phản ứng quang hoá oxy hoá xanh methylen trên các xúc tác ñãñược tổng hợp sẽ ñược trình bày. ðộng học phân huỷ theo mô hình phân huỷ LangmurHinshelwood cũng sẽ ñược thảo luận.2. Thực nghiệmTrong nghiên cứu này chúng tôi ñã tiến hành khảo sát ñể ñánh giá hoạt tính xúctác các vật liệu nano oxit titan ñược ñiều chế bằng phương pháp nhũ tương ñảo [8] cóhình thái khác nhau ñược trình bày ở hình 1. Vật liệu xúc tác ñược ký hiệu T1 (ảnhSEM và TEM ở hình 1a) ứng với trường hợp các hạt TiO2 nano nằm rời rạc có kíchthước vào khoảng 20-50 nm và T2 ứng với trường hợp các hạt nano ñường kính khoảng25 nm kết tụ lại với nhau thành khối cầu ñường kính vài µm (ảnh SEM và TEM ở hình1b). Thành phần pha nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy cả hai mẫuchủ yếu tồn tại là pha anatase có lẫn một ít rutile.T1T2Hình 1. Ảnh SEM và TEM của các mẫu ñược thủy nhiệt ở các nhiệt ñộ: a. T1 và b. T2Cho 0,2 gam lượng xúc tác xác ñịnh vào 200 ml dung dịch xanh metylen, khuấyñều bằng máy khuấy từ thời gian là 60 phút trong phòng tối ñể ñạt cân bằng hấp phụ,88sau ñó thực hiện quá trình phản ứng dưới ánh sáng mặt trời. ðiều kiện ñể thực hiệnphản ứng là trời nắng, không mây, nhiệt ñộ ngoài trời vào khoàng 32oC – 34oC. Chúngtôi thực hiện phương pháp gián ñoạn cứ sau 15 phút, mẫu ñược lấy ra 5 ml và tất cả ñềuñược lọc ly tâm ñể loại bỏ chất xúc tác, sau ñó ño mật ñộ quang các dung dịch và quétphổ UV-Vis (200 nm – 700 nm) .3. Kết quả và thảo luậnHình 2 trình bày sự thay ñổi phổ hấp thụ của dung dịch xanh metylen theo thờigian phản ứng khi sử dụng các mẫu xúc tác T1. Cường ñộ hấp thụ trong vùng UV-VIS(200-700nm) của dung dịch giảm theo thời gian chiếu sáng của ánh sáng mặt trời. ðộgiảm cường ñộ vân hấp thụ ở dải bước sóng ñặc trưng của xanh metylen (λmax = 665 666 nm) như chỉ ra trong hình tương ứng với sự khử màu của dung dịch xanh metylentrong quá trình phản ứng. Các dải phổ hấp thụ của các hợp chất hữu c ...