zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit MeOx-rGO (Me: Zn, Fe, Cu) cho phản ứng phân hủy xanh metylen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Oxit graphen được điều chế bằng phương pháp Hummer và hệ composit MeOx-rGO (Me: Zn, Fe, Cu) bằng phương pháp tẩm nung thông thường. Nghiên cứu sẽ tiến hành tổng hợp các vật liệu composit dạng MeOx-rGO, với Me là Zn, Fe và Cu. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu sẽ được đánh giá thông qua phản ứng quang phân hủy MB.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composit MeOx-rGO (Me: Zn, Fe, Cu) cho phản ứng phân hủy xanh metylen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU COMPOSIT MeOx – rGO (Me: Zn, Fe, Cu) CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY XANH METYLEN Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh1*, Mạc Đình Thiết1, Nguyễn Tiến Kiên2, Nguyễn Thanh Bình2 1 Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì 2 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN * Email: ngocquynh@vui.edu.vn Tóm tắt: Oxit graphen được điều chế bằng phương pháp Hummer và hệ composit MeOx-rGO (Me: Zn, Fe, Cu) bằng phương pháp tẩm nung thông thường. Kết quả nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy quá trình bóc tách thành công từ graphit thành graphen oxit (GO), cũng như tổng hợp thành công các vật liệu composit MeOx-rGO. Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua khả năng xử lý xanh metylen (MB). Thứ tự độ chuyển hóa được sắp xếp như sau: ZnO-rGO  Fe2O3-rGO >> Cu2O-rGO. Kết quả xử lý MB trên ZnO-rGO đạt 99,7% chỉ sau 40 phút chiếu sáng. Từ khóa: graphit, graphen oxit, quang xúc tác, xanh metylen SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF PHOTOCATALYTIC ACTIVTY OF MeOx – rGO COMPOSITES (Me: Zn, Fe, Cu) FOR METHYLENE BLUE PHOTODECOMPOSITION Abstract: Graphene oxide was prepared by Hummer method and MeOx-rGO composites (Me: Zn, Fe, Cu) by conventional impregnation method. The results of X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM) images showed the successful exfoliation of graphite to graphene oxide (GO), as well as the synthesis of MeOx- rGO composit materials. The photocatalytic activity was evaluated through the photodegradation of methylene blue (MB). The order of conversion is as follows: ZnO-rGO  Fe2O3-rGO >> Cu2O-rGO. The MB photodegradation on ZnO-rGO reached 99.7% after only 40 minutes of irradiation. Keywords: graphite, graphene oxide, photocatalyst, methylene blue 1. GIỚI THIỆU Với sự phát triển nhanh chóng của nền thuốc nhuộm này khỏi nước thải có tầm công nghiệp trong nước, vấn đề ô nhiễm quan trọng hàng đầu [1]. môi trường đang ngày càng đặt ra các vấn Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu đề cấp thiết cần xử lý. Đặc biệt, nước thải để loại bỏ những chất ô nhiễm hữu cơ như từ các ngành công nghiệp hóa chất, dệt may hấp phụ, oxy hóa, xúc tác quang, v.v [2-4]. có chứa chất tạo màu và thuốc nhuộm, là Trong số các kỹ thuật khác nhau này, xúc mối quan tâm hàng đầu về môi trường tác quang được coi là một phương pháp trong thời gian gần đây. Thuốc nhuộm hòa nhiều triển vọng [4]. Quá trình này sẽ tan trong nước làm mất thẩm mỹ môi khoáng hóa các hợp chất hữu cơ thành khí trường, cản trở sự xâm nhập của ánh sáng cacbonic, nước và axit vô cơ không độc hại, và từ đó ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh với sự có mặt của xúc tác và ánh sáng. Xúc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh tác quang thông dụng là TiO2 [4]. Nhược thái. Xanh metylen (MB) là thuốc nhuộm điểm lớn của xúc tác này là chỉ hoạt động cơ bản phổ biến được sử dụng cho mục trong vùng ánh sáng tử ngoại. Các hợp chất đích nhuộm, có thể gây ảnh hưởng nghiêm bán dẫn khác cũng có thể được sử dụng làm trọng đến sức khỏe con người như rối loạn xúc tác quang như các oxit kim loại ZnO, nhịp tim, nôn mửa, v.v. Do đó, loại bỏ ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Fe2O3, Cu2O [5-7]. Tuy nhiên các vật liệu theo cho từ từ dung dịch H2O2 3% vào trong này có hiện tượng tái tổ hợp các cặp điện tử- dung dịch (hỗn hợp chuyển màu vàng sáng). lỗ trống nhanh và do đó hiệu ứng quang Lọc hỗn hợp bằng nước cất, rửa axit đến thấp. pH=5, tiếp tục tiến hành rửa hỗn hợp thu Gần đây, graphen oxit (GO) hay graphen được bằng C2H5OH. Cuối cùng, cho bột nhão vào tủ sấy làm khô ở nhiệt độ 50-60 oxit khử (rGO) nổi lên như một chất mang o có nhiều triển vọng cho quá trình hấp phụ- C. quang xúc tác. Sở dĩ như vậy vì rGO có diện 2.2. Quy trình tổng hợp 5%MeOx-rGO tích bề mặt riêng cao (có thể đạt 2650 m2/g, (Me: Zn, Fe, Cu) về mặt lý thuyết), khả năng hấp phụ tốt với Cho 3 g GO + V ml Me(NO3)x khuấy đều các chất phẩm mầu hữu cơ do có tương tác trong 2h, tiếp theo tiến hành sấy khô trong electron - [8]. Ngoài ra vật liệu này có tủ sấy. Cuối cùng nung hỗn hợp ở 400 oC khả năng dẫn điện tốt nên khi sử dụng kết trong 2h với điều kiện có khí N2 đi qua. hợp với chất bán dẫn, nó sẽ truyền dẫn điện tử tự do hình thành trên chất bán dẫn và từ 2.3. Quá trình đánh giá hoạt tính quang đó làm giảm khả năng tái hợp của cặp điện xúc tác tử - lỗ trống hình thành. Với các ưu thế nổi Dùng 1 g MeOx-rGO cho vào 100 ml bật này của vật liệu rGO, trong nghiên cứu xanh metylen 100 ppm khuấy đều trong điều này nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành tổng hợp kiện không chiếu ánh sáng 2h. Sau đó tiến các vật liệu composit dạng MeOx-rGO, với hành chiếu chùm sáng bằng đèn Halogen Me là Zn, Fe và Cu. Hoạt tính quang xúc tác 150W. Tính thời gian lấy mẫu đo UV-Vis là của vật liệu sẽ được đánh giá thông qua sau 10 phút, 20 phút, 40 phút, 60, 120 phút phản ứng quang phân hủy MB. kể từ khi bắt đầu chiếu sáng. 2. THỰC NGHIỆM 2.4. Phương pháp đặc trưng và phân tích 2.1. Quy trình tổng hợp graphen oxit Các vật liệu được đặc trưng bởi phương Cho 5 g bột graphit + 2,5 g NaNO3 vào pháp nhiễu xạ tia X (D8 Advance Bruker), trong 120 ml dd H2SO4 98% trong một cốc chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM 1000 ml được ngâm sẵn trong chậu đá lạnh (JSM-6510L). Nồng độ MB được xác định (0 oC) và khuấy liên tục. Bổ sung từ từ 15 g bằng phương pháp UV-Vis (Carry 100). KMnO4 vào hỗn hợp đang được khuấy trên. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tốc độ cho KMnO4 vào phải đảm bảo sao cho hỗn hợp không vượt quá 20 oC. Sau khi 3.1. Đặc trưng xúc tác đã bổ sung hết 15 g KMnO4, chậu đá được 3.1.1. Nhiễu xạ tia X các mẫu graphit, GO bỏ ra và nhiệt độ hỗn hợp khoảng 35 +/- 3 và MeOx-rGO (Me: Zn, Fe, Cu) o C, và được khuấy tiếp 30 phút. Sau 30 Hình 1 giới thiệu kết quả giản đồ nhiễu phút, bổ sung vào hỗn hợp 250 ml nước cất xạ tia X của mẫu graphit và oxit graphen. (hỗn hợp có màu nâu, sủi bọt và có thể đạt đến 98 oC). Để hỗn hợp trong 15 phút. Tiếp (a) (b) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau Graphite Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample Graphite 6000 1000 d=3.369 900 5000 800 700 4000 600 d=7.981 Lin (Cps) Lin (Cps) 3000 500 400 2000 300 d=39.714 d=2.140 200 1000 d=1.680 100 d=3.732 d=2.035 d=2.134 0 0 1 10 20 30 40 5 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale 2-Theta - Scale File: Ki en K54B mau Gr aphi te-2.raw - Type: Locked Coupled - Start: 1.000 ° - End: 49.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time S tarted: 10 s - 2- Theta: 1.000 ° - T heta: 0.500 ° - Ch File: Ki en K53B mau Gr aphi te-2.raw - Type: Locked Coupled - Start: 5.000 ° - End: 59.990 ° - S tep: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Tim e Started: 16 s - 2- Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Ch 00-008-0415 (D) - Graphi te - C - Y: 41.77 % - d x by: 1. - W L: 1.5406 - H exagonal - a 2.46400 - b 2.46400 - c 6.73600 - al pha 90.000 - beta 90.000 - gamm a 120.000 - Pr imi ti ve - P63/m mc (194) - 4 - 35.4172 Hình 1: Giản đồ XRD của graphit (a) và của GO (b) ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Từ kết quả XRD của mẫu GO có thể của các mẫu xúc tác ZnO-rGO, Fe2O3-rGO, thấy, sau quá trình tổng hợp cực đại nhiễu Cu2O-rGO. Kết quả cho thấy trên mẫu ZnO- xạ tại 2 = 26,5o của graphit biến mất và rGO (Hình 2a), cực đại nhiễu xạ đặc trưng xuất hiện cực đại nhiễu xạ tại góc thấp hơn của GO ở 11o đã chuyển dịch sang vùng góc rất nhiều 2  11o . Kết quả này phản ánh hẹp hơn, 2 = 8o. Như vậy rất có thể các ion quá trình oxi hóa graphit đã thành công: sự Zn2+ đã xen kẽ vào trong các lớp graphen xuất hiện các nhóm chức mới trên bề mặt làm tăng khoảng cách d002. Việc không xuất graphen trong cấu trúc graphit (-COOH, - hiện các cực đại nhiễu xạ của pha oxit ZnO CHO, -CO, -OH) đã làm tăng rộng khoảng có thể phần nào giải thích hiện tượng trên. cách giữa các lớp graphen trong cấu trúc: từ Tất nhiên, điều này cũng có thể do ZnO tồn d002 = 3,4 Å sang d002  8 Å. Hình 2 giới tại dạng vi tinh thể phân tán đều trên bề mặt thiệu tương ứng các giản đồ nhiễu xạ tia X rGO. (a) (b) VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau ZnO-GO VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau Fe2O3-GO 700 2400 2300 2200 2100 600 2000 1900 1800 500 1700 1600 1500 Lin (Cps) 400 Lin (Cps) 1400 1300 1200 d=7.889 1100 300 1000 900 d=10.999 800 200 d=2.6927 d=2.5152 700 d=3.677 600 d=2.2078 d=1.8397 500 d=2.7159 100 400 300 200 100 0 0 1 10 20 30 40 50 1 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: Kien-KhHOA-Fe2O3-GO.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 49.990 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/31/13 15:05:06 2-Theta - Scale 33-0664 (*) - Hematite, syn - Fe2O3 - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 File: Kien-KhHOA-ZnO-GO.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 49.990 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/31/13 14:30:18 05-0664 (D) - Zincite, syn - ZnO - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 (c) VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau CuO-GO 6000 5000 4000 Lin (Cps) 3000 2000 d=2.0863 d=2.4649 d=2.1334 1000 0 1 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: Kien-KhHOA-CuO-GO.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 49.990 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/31/13 13:58:38 05-0667 (*) - Cuprite, syn - Cu2O - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0836 (*) - Copper, syn - Cu - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 2: XRD của các mẫu vật liệu ZnO-rGO (a), Fe2O3-rGO (b) và Cu2O-rGO (c) Giản đồ XRD của Fe2O3-rGO (Hình 2b) 3.1.2. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét cho thấy sự tồn tại của pha oxit Fe2O3. Vị trí (SEM) cực đại nhiễu xạ của GO tại 2 = 11o không Để khảo sát tính chất hình thái của mẫu thay đổi cho thấy khả năng các oxit Fe2O3 oxit graphen, ảnh SEM đã được tiến hành nằm ở mặt ngoài của của các lớp GO. Trên chụp. Kết quả được giới thiệu trên Hình 3. giản đồ nhiễu xạ của Cu2O-rGO (Hình 2c) xuất hiện các cực đại nhiễu xạ của Cu2O (2 Nhìn vào ảnh SEM ta có thể thấy các lớp = 36,5; 42,2) và có thể cả pha Cu (2 = oxit graphen đã được bóc tách. Tuy nhiên 43,2o) kim loại. Tuy nhiên sự xuất hiện pha các lớp GO còn khá dầy. này cần được xác định thêm với các cực đại nhiễu xạ ở các góc quét lớn hơn. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hình 3: Ảnh SEM của mẫu oxit graphen với độ phóng đại khác nhau 3.2. Hoạt tính quang xúc tác của các vật 4. KẾT LUẬN liệu MeOx-rGO (Me: Zn, Cu, Fe) Đã điều chế thành công vật liệu oxit Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu graphen bằng phương pháp Hummer và hệ MeOx-rGO được đánh giá qua phản ứng xúc tác MeOx-rGO. Kết quả XRD với sự phân hủy MB dưới ánh sáng đèn Halogen chuyển dịch pic nhiễu xạ đặc trưng từ 26,5o 150W. Nồng độ MB được xác định qua về 11o đã khẳng định quá trình bóc tách phương pháp đo phổ UV-Vis ở cực đại hấp thành công từ graphit thành graphen oxit. phụ 664 nm. Hình 4 giới thiệu hiệu suất Kết quả này cũng phù hợp với hình ảnh phân hủy quang. SEM với các lớp graphen bóc tách đã được quan sát thấy. Trên mẫu MeOx-rGO, XRD cho thấy sự tồn tại của các pha oxit Fe2O3, Cu2O trên các vật liệu Fe2O3-rGO, Cu2O- rGO. Với mẫu ZnO-rGO, khả năng một phần Zn2+ nằm xen kẽ vào trong các lớp graphen và phần nhỏ tồn tại dạng vi tinh thể oxit ZnO. Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua khả năng xử lý MB. Thứ tự hiệu suất xử lý được đánh sắp xếp như sau: ZnO-rGO  Fe2O3-rGO >> Cu2O-rGO. Kết quả xử lý Hình 4: Hiệu quả phân hủy quang của MB theo của ZnO-rGO đạt 99,7% chỉ sau 40 phút thời gian trên các xúc tác MeOx-rGO chiếu sáng dưới đèn halogen 150W. Kết quả cho thấy, mẫu ZnO-rGO và Tài liệu tham khảo Fe2O3-rGO xử lý rất nhanh lượng MB có trong dung dịch, trong vòng 40 phút lượng 1. Jiaqi Bu, Lu Yuan, Na Zhang, Dong Liu, MB trong dung dịch đã được xử lý tương Yong Meng, Xin Peng (2020), “High- ứng đạt 99,7 và 99,3%. Ngược lại nồng độ efficiency adsorption of methylene blue dye MB trên mẫu Cu2O-rGO giảm rất chậm. from wastewater by a thiosemicarbazide Thứ tự hoạt tính quang xếp theo thứ tự giảm functionalized graphene oxide composite”, dần như sau: ZnO-rGO  Fe2O3-rGO >> Diam. Relat. Mater., 101, 107604. Cu2O-rGO. Xét dưới góc độ hiệu ứng 2. K. Dutta, S. Mukhopadhyay, S. quang, kết quả này có thể đến từ thế oxi hóa Bhattacharjee, B. Chaudhuri (2001), của ZnO và Fe2O3 rất dương, giá trị thế của “Chemical oxidation of methylene blue vùng hóa trị lần lượt là + 2,91, +2,22 [9, 10]. using a Fenton-like reaction”, J. Hazard. Trong khi giá trị thế vùng dẫn của Cu2O là Mater. 84, 57-71. +1,1 [11]. Thế của vùng hóa trị càng dương (nơi có các lỗ trống h+ đóngvai trò oxi hóa) 3. Ewelina Kusiak-Nejman, Agnieszka thì khả năng oxi hóa phân hủy các hợp chất Wanag, Joanna Kapica- Kozar, Łukasz hữu cơ càng mạnh. Kowalczyk, Michał Zgrzebnicki, Beata Tryba, Jacek Przepiórski, Antoni W.Morawski (2020), “Methylene blue ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ decomposition on TiO2/reduced graphene 7. Abbas Norouzi, Alireza Nezamzadeh- oxide hybrid photocatalysts obtained by a Ejhieh (2020), “α-Fe2O3/Cu2O two-step hydrothermal and calcination heterostructure: Brief characterization and synthesis”, Catal. Today, 357, 630. kinetic aspect of degradation of methylene 4. Yumeng Hu, Chengyun Zhou, Han Wang, blue”, Phys.B: Condens.Matter, 15, 412422. Ming Chen, Guangming Zeng, Zhifeng Liu, 8. Cheera Prasad, Qinqin Liu, Hua Tang, Yang Liu, Wenjun Wang, Ting Wu, Binbin Gutha Yuvaraja, Jianyou Long, Aluru Shao, Qinghua Liang (2021), “Recent Rammohan, Grigory V.Zyryanov (2020), advance of graphene/semiconductor “An overview of graphene oxide supported composite nanocatalysts: Synthesis, semiconductors based photocatalysts: mechanism, applications and perspectives”, Properties, synthesis and photocatalytic Chem. Eng. J. , 414, 128795. applications”, J.Mol.Liq, 297, 111826. 5. Daria Smazna, Sindu Shree, Oleksandr 9. Muhammad Zubair, Abdul Razzaq, Craig Polonskyi, Sviatlana Lamaka, Martina A.Grimes, Su-IlIn (2017), “Cu2ZnSnS4 Baum, Mikhail Zheludkevich, Franz Faupel, (CZTS)-ZnO: A noble metal-free hybrid Z- Rainer Adelung, Yogendra KumarMishra scheme photocatalyst for enhanced solar- (2019), “Mutual interplay of ZnO micro- spectrum photocatalytic conversion of CO2 and nanowires and methylene blue during to CH4”, J. CO2 Util., 20, 301-311. cyclic photocatalysis process”, J. Environ. 10. Zhu Jichao, Wang Yuan, He Jie, Hu Chem. Eng., 7 (2), 103016. Lifang, Dong Rui (2019), “Construction of 6. Ehab A.Abdelrahman, R.M.Hegazey, Z-scheme Fe2O3@e-HNbWO6 composite Yousra H.Kotp, Ahmed Alharbi (2019), and its enhanced photocatalytic activity”, J. “Facile synthesis of Fe2O3 nanoparticles Phys. Chem Solids, 126, 33-42. from Egyptian insecticide cans for efficient 11. Junqi Li, HuanYuan, Zhenfeng Zhu photocatalytic degradation of methylene (2015), “Fabrication of Cu2O/Au/BiPO4 Z- blue and crystal violet dyes”, Spectrochim. scheme photocatalyst to improve the Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 222, 117- photocatalytic activity under solar light”, J. 195. Mol. Catal. A Chem., 410, 133-139. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 7

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.