Nghiên cứu tổng hợp tio2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit (2017)

Sự thay đổi phổ hấp thụ của dung dịch MB trong quá trình phân hủy quang hóa với xúc tác khác nhau ở điều kiện ánh sáng UV ..... - Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon C - QDs bằng phương pháp t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới

TS Lê Ngọc Thức đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình

học tập, nghiên cứu và làm khóa luận Từ tận đáy lòng em xin kính chúc thầycùng gia đình mạnh khoẻ và đạt được nhiều thành công trong giảng dạy vànghiên cứu khoa học

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ Viện Nghiên cứu Khoa học vàChuyển giao công nghệ, Ttrường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; các giảng viênKhoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗtrợ em thực hiện các phép đo phổ hấp thụ UV-vis, phổ hồng ngoại FT-IR, phổnhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét SEM và nhiều phép đo khác

Em xin được cảm ơn các thầy cô trong Tổ Hóa lí - Công nghệ môitrường đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình để em hoàn thành khóa luận này

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn cùng lớp và nhữngngười thân đã luôn bên cạnh ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Đỗ Thị Lê

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của TS Lê Ngọc Thức và không trùng lặp với bất kỳ công trình

khoa học nào khác Các số liệu, kết quả nêu trong khóa luận là trung thựcchưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Đỗ Thị Lê

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Điểm mới của đề tài 2

PHẦN 2 NỘI DUNG 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về TiO2 3

1.1.1 Khái niệm TiO2 3

1.1.2 Tính chất của TiO2 3

1.1.3 Cơ chế quang hóa xử lý chất bẩn hữu cơ 4

1.1.4 Ứng dụng xúc tác quang hóa của TiO2 6

1.2 Chấm lượng tử cacbon 7

1.2.1 Khái niệm, cấu trúc của chấm lượng tử cacbon (C - QDs) 7

1.2.2 Phương pháp tổng hợp C-QDs 8

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 10

2.1 Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 10

2.1.1 Hóa chất 10

2.1.2 Tổng hợp hạt nano PS-10AA bằng phương pháp vi nhũ 10

2.1.3 Chế tạo màng mỏng của PS-10AA 10

2.1.4 Chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 11

2.2 Tổng hợp TiO2 hạt nano 12

2.2.1 Hóa chất và dụng cụ 12

2.2.2 Quy trình tổng hợp 12

2.3 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon 13

2.3.1 Hóa chất và dụng cụ 13

2.3.2 Quy trình tổng hợp 14

2.4 Tổng hợp TiO2/C - QDs 14

2.4.1 Hóa chất và dụng cụ 14

2.4.2 Quy trình tổng hợp 15

2.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang 16

2.5.1 Giới thiệu về MB 16

2.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch MB sử dụng phương pháp trắc quang 17

2.5.3 Quy trình tiến hành thử hoạt tính xúc tác quang hóa 18

2.6 Các phương pháp nghiên cứu TiO2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit 19

2.6.1 Phân tán ánh sáng động 19

2.6.2 Nhiễu xạ tia X 19

2.6.3 Phổ hồng ngoại IR 21

2.6.4 Phổ hấp thụ UV-vis 23

2.6.5 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Màng mỏng TiO2 siêu xốp 25

3.1.1 Hạt nano polystiren 25

3.1.2 Màng mỏng của hạt polystiren 28

3.1.3 Màng mỏng của TiO2 29

3.2 Cấu trúc của TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit 31

3.3 Hoạt tính xúc tác quang của TiO2 và composite của nó 33

3.3.1 Ảnh hưởng của nguồn sáng 33

3.3.2 Ảnh hưởng của chấm lượng tử cacbon 35

PHẦN 3 KẾT LUẬN 37

PHẦN 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

XRD : X-ray diffraction

DLS : Dynamic light scattering

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Quá trình quang hoá của hạt nano TiO2 5

hình 1.2 Bình phản ứng dùng trong phương pháp thủy nhiệt

9 hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt

13 hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt

14 hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp TiO2 - CQDs bằng phương pháp thủy nhiệt

15 hình 2.4 Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (a) ở bước sóng 663 nm vào nồng độ c của dung dịch MB 17 hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm thử hoạt tính xúc tác quang hóa 18 hình 2.6 Nguyên lí hoạt động của máy đo phân tán ánh sáng động 19 hình 2.7 Nhiễu xạ tia x theo mô hình Bragg 20 hình 2.8 Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy đo phổ hồng ngoại 22 hình 2.9 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ hấp thụ UV - VIS 23 hình 3.1 Mô tả quá trình thí nghiệm chế tạo màng mỏng TiO2 siêu xốp 26 hình 3.2 Các đặc trưng cơ bản của hạt keo PS-10AA 27 hình 3.3 Ảnh SEM chụp cắt ngang màng mỏng PS-10AA trên đế Si 29 hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia x mẫu bột TiO2 - CQDs 31 hình 3.6 Phổ hồng ngoại của TiO2 - chấm lượng tử cacbon nanocompozit 32 hình 3.7 Sự thay đổi phổ hấp thụ của dung dịch MB trong quá trình phân hủy quang hóa ở các điều kiện khác nhau 33

hình 3.8 So sánh hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2 ở các điều kiện ánh sáng khác nhau 34

hình 3.9 Sự thay đổi phổ hấp thụ của dung dịch MB trong quá trình phân hủy quang hóa với xúc tác khác nhau ở điều kiện ánh sáng UV 35

1 Lí do chọn đề tài

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

Xử lý chất màu hữu cơ gây ô nhiễm bằng xúc tác quang hóa có nhiều

ưu điểm về kinh tế và phạm vi sử dụng, đặc biệt là các xúc tác có hoạt tínhtrong vùng phổ mặt trời Trong các loại xúc tác quang hóa đã được nghiên

tác quang cao, bền hóa học và thân thiện với môi trường Tuy nhiên, do có độ

hợp nó với các vật liệu khác để nó có thể hoạt động trong phổ mặt trời

làm giảm tốc độ của quá trình xúc tác dị thể và hoạt tính xúc tác quang chỉ thểhiện trong vùng ánh sáng tử ngoại Do đó, để tăng hiệu năng làm việc của

chấm lượng tử của bán dẫn có vùng cấm nhỏ hơn là một trong những biện

thấy của chấm lượng tử

Xuất phát từ mong muốn nâng cao hoạt tính quang xúc tác và xác định

cacbon nanocompozit”.

2 Mục đích nghiên cứu

cấu trúc Trong trường hợp này chúng tôi sử dụng màng mỏng của các hạtpolystyren làm màng tạo cấu trúc

- Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang của TiO2 và TiO2/C - QDs compositevới MB.

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp hạt nano polystyrene-poly(acrylicacid) dạng lõi vỏ: PS-10AA

- Chế tạo màng mỏng của PS-10AA với độ dày khác nhau

điện tử quét (SEM)

phương pháp hồng ngoại và nhiễu xạ tia X

- Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon (C - QDs) bằng phương pháp thủy nhiệt

từ CA và EDA

trúc bằng phương pháp hồng ngoại và nhiễu xạ tia X

với MB dưới ánh sáng trắng và ánh sáng UV Nồng độ MB được xácđịnh bằng phổ hấp thụ UV – Vis

4 Phương pháp nghiên cứu

Kích thước hạt của PS-10AA được xác định bằng phương pháp DLS

xốp được nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét SEM (Scanning

bằng phổ hồng ngoại

5 Điểm mới của đề tài

tác dưới ánh sáng UV

1.1 Giới thiệu về TiO 2

PHẦN 2 NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN

nung nóng có màu vàng Khối lượng phân tử là 79,87 g/mol, trọng lượng

tồn tại ở dạng tinh thể thường có 3 loại thù hình là rutile, anatase và brookite.Trong tự nhiên dạng tinh thể anatase và rutile thường phổ biến hơn vì

tinh thể từ 5 – 50 nm có hoạt tính xúc tác mạnh nên gần đây đã được nghiêncứu rất nhiều để ứng dụng xử lý các chất độc hại trong môi trường [5][6]

đã và đang được ứng dụng rộng rãi làm chất dẫn electron trong các hệ pinquang - điện tử, hay làm xúc tác quang hóa cho các quá trình quang tổng hợp

dịch axit vô cơ loãng, amoniac, các axit hữu cơ, không tan đáng kể trong

muối cabonat và oxit kim loại [5]

anatase và rutile Trong khi dạng rutile bền nhiệt động học và có khả năng dẫnđiện tốt hơn thì dạng anatase bền hóa học và có hoạt tính quang hóa cao hơn.Giữa hai cấu trúc này có thể chuyển hóa qua lại trong những môi trường đặc

muối halogen có thể chuyển hóa thành TiO2 rutile dạng thanh nano.

ướt bề mặt và đặc biệt là khả năng xúc tác quang hóa với một phổ rộng cáchợp chất hữu cơ [4]

1.1.3 Cơ chế quang hóa xử lý chất bẩn hữu cơ

Theo vật lý chất rắn, cấu trúc điện tử của bán dẫn có 2 vùng năng lượng

là vùng hóa trị và vùng dẫn Giữa hai vùng này cách nhau một vùng hoàn toànkhông có trạng thái điện tử - gọi là vùng cấm Tất cả các hiện tượng hóa họcxảy ra đều là do sự dịch chuyển electron giữa các vùng Vùng năng lượng đãđược lấp đầy electron, được gọi là vùng hóa trị (Valence band: VB) Về mặthóa học, electron trong vùng hóa trị có vai trò liên kết các nguyên tử, do đóchúng không linh động Vùng dẫn (Conduction band: CB), gồm các obitan

energy gap) mà người ta phân ra thành các chất cách điện (Eg > 3,5 eV), chấtbán dẫn (0,3 eV < Eg < 3,5 eV) Khi được kích thích bởi ánh sáng có năng

mang điện tích dương Khi kích thước của bán dẫn nhỏ, cỡ nm, các electron

và lỗ trống kích thích dễ dàng di chuyển đến bề mặt của hạt Trong khielectron kích thích có năng lượng cao, có khả năng khử mạnh thì lỗ trống(hay obitan trống ở vùng hóa trị) có năng lượng thấp có khả năng oxi hóamạnh Do đó, ở trạng thái kích thích các hạt nano của bán dẫn có thể thamgia các quá trình oxi hóa – khử với các chất hấp phụ trên bề mặt

Hình 1.1 Quá trình quang hoá của hạt nano TiO2

cực hiđro Lỗ trống này dễ dàng tác dụng với phân tử nước trên bề mặt của

để có thể khử phân tử oxi theo phản ứng:

e- + O2 → •O2

-•O2- + H+ → HO2•

Tất cả các tiểu phân sinh ra trong quá trình quang hóa trên, bao gồm các

phản ứng xúc tác quang Chúng là các tiểu phân hoạt động, dễ dàng tham gia

vào phản ứng oxi hóa các hợp chất hữu cơ, sinh ra CO2 và H2O Chính vì tính

mùi, xử lý nước thải ô nhiễm [4, 7]

từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như xử lý

môi hữu cơ dễ bay hơi độc hại như toluen, xylen,…), pha lỏng (các hợp chấthữu cơ độc trong nước thải từ công nghiệp dệt nhuộm, giấy, mạ, in,…) vàtrong pha rắn (các chất bảo quản thực vật, chất diệt sâu bọ như DDT trong

có khả năng chống mốc, diệt khuẩn

X

ử lý kh ô n g kh í ô n h i ễ m

Việc ô nhiễm môi trường không khí gây ra bởi bụi, các hóa chất độc hại,các vi khuẩn và vius trong các bệnh viện, các tòa nhà công cộng, nhà ở,trường học quanh khu công nghiệp đang ngày càng trở nên búc xúc ở nước

ta cũng như trên thế giới Việc xử lí không khí đòi hỏi yêu cầu cao và cónhiều phương pháp Các nhà khoa học gần đây đã cho thấy một phương pháp

xử lí mới mang tính đột phá đó là phương pháp xúc tác quang hóa Vật liệu

xúc tác quang hóa cao nhất và là vật liệu rẻ tiền, không độc hại tới sức khỏecon người Dưới tác dụng của tia UV, điện tử di chuyển từ vùng hóa trị lênvùng dẫn tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống tương tác với phần tử hấp thụ trên

bề mặt chất bán dẫn (thường là chất hữu cơ dễ bay hơi gây độc hại hoặc vikhuẩn) phân hủy chúng như phản ứng oxi hóa khử Các chất độc hại và vi

triệt để và không có nguy cơ gây tác dụng phụ [6]

ử lí n ư ớ c b ị ô nhi ễ m

Ô nhiễm nước ngày nay đã trở thành vấn đề nghiêm trọng trong toàn cầuchứ không riêng bất kì quốc gia nào Các hội thảo khoa học đã được tổ chứctại Nhật, Canada, Hoa Kỳ với hi vọng sẽ nhanh chóng tìm ra hướng đi nhờ vật

vấn đề rất khó khả thi khi áp dụng cho một thể tích nước lớn do vấn đề kinh tế

và thời gian cần thiết đủ để làm sạch Một phương pháp có lẽ khả thi là bọc

dạng huyền phù, như vậy bề mặt tiếp xúc sẽ lớn hơn và chúng ta sẽ thu hồi lạibằng từ trường [6]

T

iêu d i ệ t c ác t ế b à o u n g t h ư

Ung thư ngày nay là căn bệnh gây tử vong nhiều nhất Việc điều trị bằngcác phương pháp nhiễu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật thường tốn kém mà

hướng đi khả thi cho việc điều trị ung thư Hiện nay, người ta đang thửnghiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo nên các khối ung thư trên

cắt bỏ lớp trên và chiếu sáng vào khối u, thời gian 3 giây là đủ để tiêu diệt các

tế bào ung thư [6]

1.2 Chấm lượng tử cacbon

1.2.1 Khái niệm, cấu trúc của chấm lượng tử cacbon (C - QDs)

Các chấm lượng tử (C - QDs) gần đây nổi lên như một lớp vật liệu thú

vị So với các hệ lượng tử khác thì cấu trúc hóa học, cấu trúc điện tử cũng nhưtính chất quang - điện tử của các chấm lượng tử Cacbon (Carbon quantumdots) vẫn chưa thực sự được mô tả đầy đủ, rõ ràng Các chấm lượng tử cacbonthường là các hạt nano cacbon có kích thước nhỏ (nhỏ hơn 10 nm) với nhiều

tính chất khác nhau, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trongnhững năm gần đây.

Các công trình nghiên cứu về C - QDs chấp nhận rộng rãi rằng cấu trúccủa C - QDs là hệ gồm nhiều hệ đa vòng thơm liên hợp - nối với nhau bởicác mạch hydrocacbon no Khả năng tan trong dung môi do các nhóm chứctrên bề mặt quyết định Thực tế khả năng tan trong nước của C - QDs được

SH Tính chất quang của C - QDs phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như kíchthước và thành phần của các hệ liên hợp, khả năng tương tác giữa các hệ liênhợp, thành phần và trạng thái hóa học của các dị tố N, S [2]

1.2.2 Phương pháp tổng hợp C - QDs

Có thể chia thành hai phương pháp tổng hợp chấm lượng tử cacbon:Phương pháp vật lí sử dụng các thiết bị bốc bay bằng chùm điện tử, bằnglaser công suất cao (laser ablation), bằng lắng đọng pha hơi các hợp chất

cơ kim hay bốc bay chùm phân tử Phương pháp này thường yêu cầu thiết

bị phức tạp, cần có sự đầu tư lớn, không phù hợp với hoàn cảnh thực tế củamột nước đang phát triển như Việt Nam Phương pháp hóa học sử dụng cácphản ứng của tiền chất, phức của tiền chất trong các bình hệ thốngphản ứng.Với phương pháp này đòi hỏi đầu tư trang thiết bị không lớn, dễtriển khai, có thể cho sản phẩm với giá thành thấp hơn, thích hợp trong điềukiện nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ ở Việt Nam Hơn nữa,phương pháp hóa học cho phép thực hiện được ở mức độ phân tử để chế tạovật liệu bán dẫn Việc khống chế hình dạng, kích thước hạt và sự phân bốkích thước có thể được thực hiện ngay trong quá trình tạo Trong đề tài,

chúng tôi đã lựa chọn phương pháp hóa học - phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal) để chế tạo chấm lượng tử cacbon C - QDs.

h ư ơ n g p h áp t h ủ y nh i ệ t ( h y d r o t h er m a l).

Hình 1.2 Bình phản ứng dùng trong phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt được xây dựng dựa trên độ tan của các vật liệutrong nước ở áp suất cao Phản ứng thuỷ nhiệt thường được thực hiện trongống thép chịu lực với lớp lót Teflon Áp suất cao sinh ra trong bình phản ứng

do thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi sử dụng

Về nguyên tắc, muốn chế tạo chấm lượng tử, cần tạo điều kiện để các tiềnchất phản ứng tạo thành các mầm vi tinh thể càng đồng nhất càng tốt sau đóchúng phát triển thành các tinh thể lớn hơn trong môi trường có đủ cácmonomer của tiền chất để cung cấp cho quá trình phát triển này Nhiệt độ cao

và áp suất cao thúc đẩy quá trình hình phân hủy các cấu trúc kém trật tự vàhình thành các cấu trúc trật tự do đó giảm được các khuyết tật mạng lưới tinhthể Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp vật liệu dưới nhiềudạng khác nhau như sợi, màng, hạt, ống nano với kỹ thuật đơn giản, thiết bị

rẻ tiền so với các phương pháp khác, thời gian tạo mẫu khá nhanh, dễ dàngkiểm soát được thành phần các chất tham gia phản ứng, sản phẩm thu được

có độ tinh khiết cao [2]

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng TiO 2 siêu xốp

2.1.1 Hóa chất

Các monomer bao gồm acrylic acid (AA: 98%, Sigma-Aldrich) vàstyrene (St: 98%, Aldrich) được chưng cất lại và lưu giữ ở nhiệt độ thấptrước khi sử dụng Hexadecan (HDA: 98%, Aldrich), titanium(IV)isopropoxide (TIP: 98%, Aldrich), acetylacetone (ACAC: 98%, Aldrich),cetyltrimethylammonium bromide (CTAB: 96%, Aldrich) được sử dụngngay 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN: Dajeung) được kết tinh lại trongmethanol trước khi sử dụng

2.1.2 Tổng hợp hạt nano PS-10AA bằng phương pháp vi nhũ

Pha dầu gồm 5.4 (g) St, 0.6 (g) AA và 0.1 (g) AIBN được khuấy trộn

(g) CTAB hòa tan trong 24 (g) nước cất hai lần trong bình phản ứng hai cổdung tích 50 ml Sau khi làm lạnh pha nước, pha dầu được cho vào pha nước

tiếp tục được cho vào bể siêu âm để rung trong 10 phút (nhiệt độ trong bể

của dầu trong nước Sau quá trình này, bình phản ứng được kết nối với một

làm lạnh đến nhiệt độ phòng và lọc qua giấy lọc vài lần để thu được dungdịch keo màu trắng đục như sữa Kết quả phân tích SEM và DLS chothấy hạt nano PS-10AA có kích thước cỡ 100 nm, với độ không đồng đềukích thước hạt là 15 % [13]

2.1.3 Chế tạo màng mỏng của PS-10AA

Dung dịch PS-10AA thu được sau phản ứng có phần trăm khối lượng

khoảng 18% Dung dịch này được pha loãng với nước cất 2 lần để thu đượccác dung dịch loãng hơn Các dung dịch có nồng độ khác nhau được sử dụng

để chế tạo màng mỏng PS-10AA có độ dày khác nhau Để chế tạo màng trên

đế Si, hay FTO, trước tiên chúng tôi cắt các đế này thành miếng kích thước

mặt Đế được đặt lên máy phủ quay (spin-coater), nhỏ giọt dung dịch keo 10AA lên (khoảng 0.7 ml) và quay với tốc độ 2500 vòng/phút trong 60 giây

kết dính giữa các hạt keo Bằng cách thay đổi nồng độ của hạt keo, chúng tôi

có thể điều chỉnh độ dày của màng mỏng thu được từ vài trăm nm đến vàimicromet

Dung dịch sol của TIP được chuẩn bị bằng cách cho 0.5 ml TIP vào 50

ml dung dịch của 0.05 ml ACAC trong isopropanol có chứa 0.1 ml HCl (1 M)

và khuấy trộn đều ở nhiệt độ phòng trong 30 phút Tiến hành nhúng các màngmỏng PS-10AA đã chuẩn bị ở trên vào dung dịch sol và ngâm trong 10 phút.Sau khi vớt màng mỏng ra, tiến hay quay trên máy phủ quay ở tốc độ 5000vòng/phút, hay rửa nhẹ với dung dịch isopropanol để loại bớt lớp sol trên bềmặt Phương pháp ngâm màng PS-10AA trong dung dịch sol của TIP nhưtrình bày trên đây luôn để lại một lớp mỏng sol trên bề mặt, lớp này sẽ hình

như sau Dán đế Si, hay FTO lên đáy cốc thủy tinh 500 ml bằng băng dínhchịu nhiệt 2 lớp sau đó úp cốc lên một mặt kính phẳng Đặt vào phía bên

trình phủ TiOx (sản phẩm sol-gel của TIP) được tiến hành 10 – 60 phút tùyvào độ dày của lớp PS-10AA Sau phản ứng, chúng tôi nung màng mỏng thu

hữu cơ Màng mỏng thu được đặc trưng cấu trúc bằng phương pháp phổ điện

tử quét (SEM)

2.2 Tổng hợp TiO 2 hạt nano

2.2.1 Hóa chất và dụng cụ

Hóa chất:

Cho nhanh 1.8 ml axit axetic vào cốc và tiến hành khuấy trộn dung dịch bằngmáy khuấy từ ở điều kiện phòng khoảng 15 – 20 phút với tốc độ 450vòng/phút Dùng ống đong thêm 44 ml nước cất vào hỗn hợp, khuấy mạnh tối

đa trong 1h Cho tiếp vào hỗn hợp 1ml axit nitric đặc 65% và nâng dần nhiệt

phút tiếp theo (luôn duy trì thể tích dung dịch trong cốc là 55 ml)

và khuấy

Làm nguội tới nhiệt độ phòng

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt

Đổ dung dịch thu được vào bình teflon, đậy nắp kín đựng trong ống

ống phản ứng ra ngoài để cho nhiệt độ giảm đến nhiệt độ phòng Khi ốngphản ứng đã giảm đến nhiệt độ phòng đổ dung dịch thu được ra cốc 200 ml.Thêm 0.4ml axit nitric đặc vào cốc và khuấy trong 1h Đem hỗn hợp đi li tâmlấy chất rắn, dùng etanol để rửa sạch chất rắn thu được (quá trình lặp lại 3

- Cân phân tích , máy li tâm, tủ sấy, bộ bình Teflon (bình thuỷ nhiệt),máy thủy nhiệt.

Dung dịch chấmlượng tử cacbonC-QDs

Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt

Lấy dung dịch citric acid CA (1M) và ethylenediamine EDA (1M) với tỉ

lệ CA: EDA = 4: 6 cho vào bình phản ứng Teflon.Thể tích dung dịch đemthủy nhiệt là 50 ml Bình Teflon sau đó được cho vào vỏ thép, đậy kín, thủy

nhiệt độ giảm đến nhiệt độ phòng Dung dịch C - QDs thu được sau phản ứng

- Pipet, các cốc thủy tinh, giấy lọc, thìa thủy tinh, con từ.

60 phút Thêm nước cất

thủy nhiệt (140 o C, 3h)

Dung dịch TiO2 + C-QDs

Li tâm, rửa sạch, sấy, nghiền

Bột TiO2 + C-QDs sau khi thủy nhiệt

Hình 2.3 Sơ đồ tổng hợp TiO2 - CQDs bằng phương pháp thủy nhiệt

ml nước vào cốc 50 ml Thêm con từ và khuấy trộn dung dịch ở ngoài khôngkhí trong 60 phút bằng máy khuấy từ với tốc độ 450 vòng/phút Hết 60phút đổ dung dịch thu được vào bình phản ứng Teflon và đồng thời chothêm 5 ml nước để tiến hành thủy nhiệt Bình Teflon sau đó được cho vào

phản ứng ra để cho nhiệt độ giảm đến nhiệt độ phòng Dung dịch thu đượcđem li tâm và

rửa sạch bằng nước cất để lấy chất rắn Rồi đem sấy ở 50oC trong 24h,nghiền nhỏ thu được chất rắn màu vàng nhạt, dạng bột Quy trình tổng hợp

2.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang

2.5.1 Giới thiệu về metyl xanh

composite, trong khóa luận này chúng tôi sử dụng MB làm mô hình cho chấtmàu hữu cơ Ở nhiệt độ phòng, MB tồn tại ở dạng rắn, không mùi, màuxanh đen, khi hòa tan vào nước hình thành dung dịch màu xanh lam.Bước sóng hấp thụ đặc trưng của dung dịch MB là 663 nm Công thức phân

tử của MB là: C16H18N3ClS (M= 373.9 g/mol) và có câu trúc như sau:

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

A= 0,07788 C - 0,0257

R 2 = 0.9929

0 2 4 6 8 10

C (mg/L)

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (A) ở bước sóng 663 nm

vào nồng độ C của dung dịch MBNguyên tắc của phương pháp: Khi chiếu một chùm sáng qua dung dịchthì dung dịch đó sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia sáng tùy theo màu sắc củacác chất trong dung dịch có nồng độ xác định



Trong đó: A là độ hấp thụ quang của dung dịch

k: hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào nồng độ dung dịch theo

phương trình: k= ε Cb: chiều dày cuvet đựng dung dịch

Do đó : A = εbC

Ở dải nồng độ thấp, độ hấp thụ quang A phụ thuộc tuyến tính vào nồng

độ C Dựa vào đồ thị đường chuẩn về sự phụ thuộc mật độ quang của

dung

dịch vào nồng độ có thể tính được nồng độ của dung

dịch

Cụ thể, chuẩn bị một dãy dung dịch MB có nồng độ thay đổi từ 1; 2,5; 5;7,5; 10 mg/l Đo độ hấp thụ quang của các dung dịch này tại λ = 663 nm Xâydựng đồ thị sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ của dung dịch MB.Lập đường chuẩn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ dung dịch

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm thử hoạt tính xúc tác quang hóa

ml MB có nồng độ 5 mg/l Hỗn hợp được khuấy trong điều kiện bóng tối 60phút để cân bằng hấp phụ và nhả hấp phụ Sau đó, chiếu sáng dung dịchbằng đèn UV Camag có bước sóng 663nm hoặc đèn sợi đốt (công suất200W), sau các khoảng thời gian t = 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50

hấp thụ UV tại bước sóng hấp thụ đặc trưng của vật liệu này λ = 663 nm

2.6 Các phương pháp nghiên cứu TiO 2 – chấm lượng tử cacbon nanocompozit

2.6.1 Phân tán ánh sáng động

Hình 2.6 Nguyên lí hoạt động của máy đo phân tán ánh sáng động

Phân tán ánh sáng động (Dynamic Light Scattering) là một trong những

kỹ thuật tán xạ ánh sáng phổ biến nhất vì nó cho phép đo kích thước hạt cóđường kính 1 nm Các ứng dụng điển hình là đo hạt nhũ tương, micelles,polyme, protein, hạt nano hoặc keo

Nguyên tắc cơ bản: Mẫu được chiếu sáng bởi chùm laser Ánh sáng daođộng một góc tán xạ θ được phát hiện bằng một máy dò photon nhanh(Detector) Dụng cụ DLS đo ở một góc cố định có thể xác định kích thước hạttrung bình trong một phạm vi kích thước giới hạn Các thiết bị đo gócphức tạp hơn có thể xác định sự phân bố kích thước hạt đầy đủ Hệ sốkhuếch tán D liên quan đến bán kính R của các hạt được biểu diễn theo

Boltzmann, T là nhiệt độ và η là độ nhớt

2.6.2 Nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm t i a X nh i ễ u x ạ trên các mặt t i n h

t h ể c ủa c h ấ t r ắ n do tính tuần hoàn của c ấ u t r ú c t inh t h ể tạo nên các cực đại

và cực tiểu nh i ễ u x ạ Xét về bản chất vật lí, nhiễu xạ tia X cũng gần