Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc và tính chất của titan đioxit kích thước nano mét được biến tính bằng Nitơ

ác giả [14] đã điều chế bột N-TiO2 bằng phương pháp nhiệt phân phun (spray pyrolysis) dung dịch hỗn hợp chứa TiCl4 0.03M và chất đầu của N (0.2M) (ure, guanidine hoặc NH4F). Dung dịch ban đầu trước tiên được tán nhỏ nhờ ống phun; sau đó, nhỏ giọt qua 1 ống ở nhiệt độ cao nhờ máy hút. Sự nhiệt phân xảy ra ngay khi giọt đi qua ống nhiệt độ cao. Bột tạo thành tập trung ở phễu lọc bằng gốm ở đấy ống. Trong nghiên cứu này, nhiệt độ của ống được duy trì ở 900oC vì đây là nhiệt độ tối ưu để điều chế bột N-TiO2 với hoạt tính quang xúc tác cao nhất. Trong các phương pháp điều chế TiO2 biến tính nitơ ở trên thì phương pháp thủy phân [10, 22] và phương pháp tẩm [2, 12] cho thấy nitơ đã tham gia vào thành phần cấu trúc TiO2, hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm dịch chuyển về vùng ánh sáng nhìn thấy và có hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ cao hơn so với mẫu không được biến tính. Mặt khác, quy trình điều chế mẫu theo 2 phương pháp này khá đơn giản, phù hợp với điều kiện trang thiết bị ở phòng thí nghiệm của chúng ta hiện nay. Cho nên, trong luận văn này chúng tôi chọn phương pháp thủy phân và phương pháp tẩm để tiến hành điều chế mẫu TiO2 biến tính nitơ. 1.3. Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nm được biến tính bằng kẽm Các tác giả [11] đã điều chế các tinh thể TiO2 kích thước nm biến tính Zn bằng phương pháp gel axit stearic và xác định các thông số đặc trưng bằng nhiễu xạ bột tia X, hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt (TEM) và quang phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis. Khi các tinh thể kích thước nm được sử dụng để phân hủy quang metyl da cam trong nước dưới ánh sáng UV, thấy rằng xúc tác kết tinh kích thước nm TiO2 biến tính bởi 0.1% Zn bộc lộ khả năng phân hủy quang lớn hơn so với các tinh thể TiO2 nm được điều chế sử dụng phương pháp sol-gel cũng như TiO2 P25. Điều này phù hợp với vai trò của Zn biến tính trong tinh thể TiO2 nm và diện tích bề mặt BET. Phân tích sắc kí lỏng/phổ khối (LC/MS) xác nhận rằng chất màu đã bị phân hủy hoàn toàn sau 30 phút sử dụng tinh thể TiO2 nm biến tính 0.1% Zn. Quy trình điều chế: Phương pháp gel axit stearic Tinh thể TiO2 nm biến tính được điều chế bằng cách thêm titan tetraisopropoxit (tinh khiết so sánh, 2.5 ml) vào axit stearic nóng chảy (tinh khiết phân tích, 10 g) kèm theo khuấy mạnh ở 70oC, sau đó thêm kẽm axetat. Tỉ lệ mol của Zn2+/Ti4+ là 0.05%, 0.1%, 0.3%, 0.5% và 1.0%. Sau 2h, làm nguội hỗn hợp trong nước lạnh, sau đó đun trong không khí ở 300oC và tiếp theo nung ở 400, 450, 500 và 600oC trong 2h. Phương pháp sol-gel Trộn TTIP (tinh khiết so sánh, 10 ml) với etanol khan (tinh khiết so sánh, 40 ml), sau đó nhỏ giọt hỗn hợp này vào hỗn hợp nước (10 ml), etanol khan (tinh khiết so sánh, 10 ml), HNO3 70% (tinh khiết so sánh, 2 ml) và kẽm axetat (tinh khiết so sánh). Tiếp theo, hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn ở nhiệt độ phòng trong 3h cho đến khi thu được sol trong suốt màu vàng. Sau đó làm khô ở nhiệt độ phòng, chất rắn màu vàng được nung ở 450oC trong 2h. Các tác giả công trình [31] đã tổng hợp được các hạt TiO2 kích thước nm biến tính Zn với hoạt tính quang xúc tác cao bằng phương pháp ngọn lửa khuếch tán hidro-oxi và đã thảo luận cơ chế phân hủy quang xúc tác của chất màu rôdamin B dưới chiếu sáng ánh sáng nhìn thấy. Zn biến tính có mặt 1 lượng nhỏ ở dạng ZnO phân tán ngẫu nhiên trên bề mặt các hạt TiO2 anatase kích thước nm. Thấy rằng hoạt tính phân hủy nhạy sáng có thể được nâng cao nhờ biến tính lượng thích hợp Zn. Hoạt tính được tăng cường nhờ Zn có thể quy cho vị trí năng lượng thích hợp giữa ZnO và trạng thái bị kích thích của chất màu, làm tăng sự thâm nhập electron vào CB của TiO2 nhờ electron bắt được, tiếp theo thúc đẩy sự tạo thành các dạng oxi hoạt động. Do đó, sự phân hủy quang nâng cao của chất màu dưới ánh sáng nhìn thấy có thể thực hiện được. Quy trình điều chế: Các hạt TiO2 kích thước nm biến tính Zn được điều chế bằng cách nạp chất đầu hóa hơi vào trong bình phản ứng ngọn lửa khuếch tán dòng chứa đồng thời hidro-oxi, bình phản ứng được thiết kế để thu được các hạt với các đặc trưng đồng nhất và phân tán tốt, được làm thuận tiện nhờ đưa vào dòng khí loãng vào trong ống trung tâm. Bình phản ứng bao gồm 3 ống thép không gỉ đồng tâm với đường kính bên trong tương ứng là 3.0, 6.0 và 10.0 mm. TiCl4 được dẫn vào nhờ mang nitơ qua lọ khí chứa TiCl4 ở 90oC. Dòng nitơ bão hòa TiCl4 và không khí sạch (2.1 L/phút) được đưa vào ống trung tâm của bình phản ứng cùng với hidro 1.5 L/phút (vòng bên trong) và oxi 0.8 L/phút (vòng ngoài) tạo thành ngọn lửa khuếch tán ổn định. Kẽm axetylaxetonat, chất đầu biến tính, được đưa vào bên trong ống trung tâm nhờ nitơ đi qua bộ phận thăng hoa chứa đầy kẽm axetylaxetonat. Hàm lượng biến tính được điều chỉnh bởi tốc độ dòng của khí mang và nhiệt độ bay hơi, từ 90 đến 120oC. Tất cả các khí xuất phát từ các xylanh và tốc độ dòng của chúng được kiểm soát bởi lưu lượng kế kiểu phao. Sản phẩm TiO2 điều chế được được tập hợp trên giấy lọc nhờ bơm chân không. 1.4. Các phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [1] Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp trực tiếp những thông tin về cấu trúc tinh thể, mức độ kết tinh, thành phần pha, kích thước hạt trung bình, và khoảng cách giữa các lớp cấu trúc đối với vật liệu có cấu trúc lớp. Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào vị trí và cường độ các vạch nhiễu xạ trên giản đồ ghi được của mẫu để xác định thành phần pha, các thông số mạng lưới tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phản xạ trong tinh thể. Xét hai mặt phẳng song song I và II có khoảng cách d (Hình 1.4). Chiếu chùm tia Rơngen tạo với các mặt phẳng trên một góc θ. Để các tia phản xạ có thể giao thoa thì hiệu quang trình của hai tia 11’ và 22’ phải bằng số nguyên lần bước sóng l. AB + AC = nl hay . Đó là phương trình Bragg. Hình 1.4. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể Dựa vào giá trị bán chiều rộng của píc (đỉnh) đặc trưng trên giản đồ nhiễu xạ người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt tinh thể (hạt sơ cấp) theo công thức Scherrer. Đối với vật liệu TiO2, trên giản đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện píc đặc trưng của pha anatase và rutile lần lượt ở góc Bragg là 12.680 và 13.730. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, người ta có thể tính được kích thước trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Scherrer: (1.1) Trong đó: là kích thước hạt trung bình (nm), l là bước sóng bức xạ Ka của anot Cu, bằng 0.15406 nm, b là độ rộng (FWHM) của píc tại nửa độ cao của píc cực đại (radian), q là góc nhiễu xạ Bragg ứng với píc cực đại (độ). Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta cũng có thể tính được thành phần của các pha anatase và rutile trong mẫu TiO2 theo phương trình (1.12): ; (1.2) Trong đó: c là hàm lượng rutile (%). X là hàm lượng anatase (%). IA là cường độ nhiễu xạ của anatase ứng với mặt phản xạ (101). IR là cường độ nhiễu xạ của rutile ứng với mặt phản xạ (110). Hình 1.5. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance 5005 (CHLB Đức) 1.4.2. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit Trong luận văn này tác giả thử hoạt tính quang xúc tác của bột TiO2 kích thước nm điều chế được thông qua khả năng phân hủy màu dung dịch xanh metylen. Cách tiến hành thí nghiệm như sau: Cân một lượng chính xác xanh metylen và định mức bằng bình định mức 1l bằng nước cất, rồi cho vào cốc 1l để làm phản ứng. Sau đó cân một lượng chính xác bột TiO2 với kích thước và lượng phù hợp cho từng thí nghiệm rồi cho vào cốc phản ứng. Đặt cốc lên máy khuấy từ để bột TiO2 phân tán đều vào dung dịch (khuấy liên tục trong suốt quá trình thí nghiệm). Chiếu dung dịch trên bằng đèn compac công suất 40W trong 3h, dung dịch sau đó được lấy đem ly tâm để loại TiO2 và đo mật độ quang (ABS). So sánh mật độ quang của dung dịch xanh metylen trước và sau khi qua thiết bị và từ đó xác định được phần trăm lượng chất bị phân hủy và đánh giá được khả năng xúc tác của bột TiO2 điều chế được. 1.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt Phương pháp phân tích nhiệt cũng là một trong những phương pháp hóa lý thường được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu, cung cấp cho ta những thông tin về tính chất nhiệt của vật liệu. Mục đích của phương pháp phân tích nhiệt là dựa vào hiệu ứng nhiệt để có thể nghiên cứu những quá trình phát sinh khi đun nóng hoặc làm nguội chất. Trên giản đồ phân tích nhiệt thông thường người ta quan tâm tới 2 đường cong quan trọng là DTA và DTG. Đường DTA cho biết sự xuất hiện của các hiệu ứng nhiệt, đường DTG cho biết biến thiên khối lượng mẫu trong quá trình gia nhiệt. Mỗi quá trình biến đổi hóa học như các phản ứng pha rắn, sự phân hủy mẫu hay các biến đổi vật lý như sự chuyển pha đều có một hiệu ứng nhiệt tương ứng. Nhờ đường DTA chúng ta có thể biết được khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong) và hiệu ứng tỏa nhiệt (cực đại trên đường cong). Các quá trình trên có thể kèm theo sự thay đổi khối lượng của mẫu nghiên cứu, ví dụ quá trình thăng hoa bay hơi hay các phản ứng phân hủy, hoặc không đi kèm với sự thay đổi khối lượng của mẫu như quá trình chuyển pha, phá vỡ mạng tinh thể… Vì vậy, kết hợp các dữ liệu thu được từ 2 đường DTG và DTA ta có thể biết được các tính chất nhiệt của mẫu. Dựa vào việc tính toán các hiệu ứng mất khối lượng và các hiệu ứng nhiệt tương ứng mà ta có thể dự đoán được các giai đoạn cơ bản xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu. Chương 2 - THỰC NGHIỆM 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu Nghiên cứu điều chế bột titan đioxit kích thước nm biến tính bằng nitơ có hoạt tính quang xúc tác cao từ chất đầu TiCl4. 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục đích trên, tác giả đã triển khai các nội dung nghiên cứu sau: - Tính toán lý thuyết xác định cấu trúc và tính chất của TiO2 dựa trên lý thuyết DFTB được thực hiện bằng phần mềm DFTB+. - Nghiên cứu ảnh hưởng của NH3 đến cấu trúc và tính chất của bột N-TiO2 kích thước nm điều chế bằng cách thủy phân TiCl4 trong dung dịch nước - Xác định điều kiện thích hợp cho quá trình điều chế được bột titan đioxit biến tính N có hoạt tính quang xúc tác cao theo phương pháp tẩm. - Xác định điều kiện thích hợp cho quá trình điều chế được bột titan đioxit biến tính hỗn hợp N và Zn có hoạt tính quang xúc tác cao theo phương pháp thủy phân. 2.2. Hóa chất và thiết bị 2.2.1. Hóa chất Các hóa chất sử dụng cho việc tiến hành thực nghiệm bao gồm: + TiCl4 99% (Merck) loại P + Etanol tuyệt đối (Trung Quốc) loại P + Xanh metylen (C16H18ClN3S.3H2O) (Trung Quốc) loại P + Nước cất hai lần 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị + Cốc thủy tinh 100ml, 150ml, 250ml, 500ml + Đũa thủy tinh + Pipet 5ml, 10ml, 25ml + Nhiệt kế + Bình tia nước cất + Ống ly tâm V=15ml và 50ml + Chén nung + Máy khuấy từ gia nhiệt Bibby Sterilin HC 502 (Anh) + Máy ly tâm Hettich Zentrifugen D78532 Tuttlingen (Đức) + Tủ sấy chân không Labtech (Hàn Quốc) + Cân phân tích Precisa (Thụy Sỹ) + Lò nung Nabertherm (Anh) 2.3. Phương pháp thực nghiệm 2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của NH3 đến cấu trúc và tính chất của bột N-TiO2 kích thước nm điều chế bằng cách thủy phân TiCl4 trong dung dịch nước Hoà tan TiCl4 vào nước cất hai lần ở 0oC nhờ hỗn hợp nước đá muối kết hợp với khuấy trộn để tránh TiCl4 thuỷ phân mạnh và thu được dung dịch TiCl4 0.35M trong suốt. Thuỷ phân dung dịch trên trong ba điều kiện khác nhau: ở 30oC trong 48h, ở 90oC trong 2h và ở 30oC với sự có mặt của amoniac tại pH = 8, ổn định 4h để quá trình thuỷ phân diễn ra hoàn toàn. Bột được tách trên máy ly tâm 4000 v/ph, rửa 4 lần bằng nước cất hai lần ở nhiệt độ phòng, sấy ở 80oC - 24h trong tủ sấy chân không Labtech (Hàn Quốc), nghiền trong cối mã não, nung 600oC-2h trong lò Nabertherm (Anh). 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thước nm biến tính N theo phương pháp tẩm từ chất đầu TiCl4 Chất đầu được sử dụng điều chế bột TiO2 là TiCl4 là loại sản phẩm của Merck, độ sạch 99%. Kết tủa TiO2.nH2O sử dụng làm chất đầu cho quá trình biến tính nitơ được chuẩn bị theo quy trình như hình 2.1. Huyền phù TiO2.nH2O được chế hoá với dung dịch NH3 có nồng độ khác nhau trong 30 phút. Sau đó tách phần rắn bằng ly tâm, sấy khô trong tủ chân không Labtech (Hàn Quốc) ở 80OC trong 12h, nung trong lò Nabertherm (Anh) ở nhiệt độ xác định, tốc độ 100C/phút. Nghiền sản phẩm trong cối mã não. Hỗn hợp ban đầu etanol/nước Hỗn hợp chứa TiCl4 Dung dịch trong suốt Huyền phù TiO2.nH2O Khuấy, trộn mạnh TiCl4 nhỏ từng giọt Khuấy Thủy phân nhiệt độ 90-950C Làm lạnh Làm lạnh Khuấy Huyền phù TiO2.nH2O chế hóa với dung dịch NH3 TiO2 biến tính Nitơ Sấy, nung Chế hóa với dung dịch NH3 Hỗn hợp ban đầu etanol/nước Hỗn hợp chứa TiCl4 Dung dịch trong suốt Huyền phù TiO2.nH2O Khuấy, trộn mạnh TiCl4 nhỏ từng giọt Khuấy Thủy phân nhiệt độ 90-950C Làm lạnh Làm lạnh Khuấy Huyền phù TiO2.nH2O chế hóa với dung dịch NH3 TiO2 biến tính Nitơ Sấy, nung Chế hóa với dung dịch NH3 Hình 2.1. Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nm biến tính N theo phương pháp tẩm từ TiCl4. 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thước nm biến tính bằng hỗn hợp N và Zn theo phương pháp khử thủy phân TiCl4 Chất đầu được sử dụng điều chế bột TiO2 là TiCl4 là loại sản phẩm của Merck, độ sạch 99%. Bột TiO2 kích thước nm biến tính Zn và N được điều chế theo quy trình ở Hình 2.2. Nước cất, 0oC TiCl4 nhỏ từng giọt Khuấy mạnh và làm lạnh Dung dịch TiCl4 trong suốt Zn viên Khuấy Dung dịch màu tím Ure Khuấy và thủy phân ở 90-95oC Kết tủa Sấy, nung Ly tâm, rửa Bột TiO2 Hình 2.2. Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nm biến tính bằng hỗn hợp N và Zn từ TiCl4 Quy trình điều chế được tiến hành như sau (Hình 2.2): Chuẩn bị dung môi nước cất. Làm lạnh dung dịch bằng hỗn hợp đá muối đến nhiệt độ 0oC. Dùng pipet nhỏ từng giọt TiCl4 trong điều kiện khuấy trộn mạnh. Quá trình khuấy và làm lạnh được thực hiện tiếp tục cho đến khi thu được dung dịch trong suốt. Cho lượng Zn viên thích hợp vào dung dịch TiCl4 ở trên đến khi Zn tan kết được dung dịch màu tím trong suốt. Cho lượng ure thích hợp vào. Khuấy cho tan hết ure. Nâng nhiệt độ của dung dịch để quá trình thủy phân xảy ra. Quá trình thủy phân được thực hiện ở điều kiện khuấy trộn mạnh, nhiệt độ, thời gian xác định. Sau đó ly tâm, tách pha rắn khỏi pha lỏng. Pha rắn được rửa 2 lần bằng etanol. Sau đó đem sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ và thời gian xác định, sau đó đem nung trong lò nung ở nhiệt độ và thời gian thích hợp để thu sản phẩm. Sản phẩm được cân để xác định khối lượng và tính hiệu suất quá trình điều chế, sau đó chụp XRD để xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình, thử quang xúc tác để xác định hiệu suất phân hủy xanh metylen. 2.4. Phương pháp nghiên cứu 2.4.1. Phương pháp tính toán lý thuyết cấu trúc của TiO2 biến tính nitơ Các kết quả tính toán lý thuyết xác định cấu trúc và tính chất của TiO2 có thể dựa trên lý thuyết DFTB được thực hiện bằng phần mềm DFTB+. Việc tính toán này được thực hiện tại Trung tâm Hóa tin - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 2.4.2. Phổ tán xạ tia X (EDS) Sự có mặt của nitơ trong mẫu sản phẩm TiO2 biến tính xác định theo pic đặc trưng trên phổ EDS được ghi trên máy Oxford 300 (Anh). 2.4.3. Phổ hấp thụ nguyên tử UV-Vis Năng lượng dải trống (Eg) của mẫu được tính theo công thức: (2.1) Với λ (nm) là bước sóng ánh sáng hấp thụ xác định từ phổ UV-Vis của mẫu bột được ghi trên máy Mpc 3100 Shimadzu (Nhật). 2.4.4. Phương pháp XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình của các hạt sơ cấp trong sản phẩm điều chế được. Các mẫu TiO2 được đo trên máy nhiễu xạ tia X D8- Advance 5005 tại khoa Hóa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Điều kiện ghi: Bức xạ Kµ của anot Cu, nhiệt độ ghi phổ ở 25oC, góc 2q: 10o – 70o, với tốc độ quét 0.030o/s. 2.4.5. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit Trong bản luận văn này tác giả thử hoạt tính quang xúc tác của bột TiO2 kích thước nm điều chế được thông qua khả năng phân hủy màu dung dịch xanh metylen. Cách tiến hành thí nghiệm như sau: Cân một lượng chính xác xanh metylen và định mức bằng bình định mức 1l bằng nước cất. Hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm được thử bằng cách trộn 0.15 g bột sản phẩm với 200 ml dung dịch xanh metylen 10mg/L, khuấy trong 3h dưới bức xạ của đèn compac công suất 40 W. Nồng độ xanh metylen trước và sau phản ứng được xác định bằng phương pháp đo quang ở l = 663 nm. Hiệu suất phản ứng quang xúc tác được tính theo công thức: (2.2) Trong đó Cd và Cc lần lượt là nồng độ xanh metylen trước và sau phản ứng. Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của NH3 đến cấu trúc và tính chất của bột N-TiO2 kích thước nm điều chế bằng cách thủy phân TiCl4 trong dung dịch nước 3.1.1. Kết quả tính toán lý thuyết Hộp mô phỏng TiO2 anatase gồm 16 ion Ti4+ và 32 ion O2-. Hộp mô phỏng TiO2 thay thế N gồm 16 ion Ti4+ và 31 ion O2- và 1 ion N3-. Kết quả hằng số mạng lưới và năng lượng dải trống của anatase trong bảng 3.1 cho thấy phương pháp DFT tuy cho kết quả hằng số mạng lưới chính xác, nhưng Eg lại sai số nhiều so với thực nghiệm; phương pháp DFTB cho các kết quả phù hợp với thực nghiệm hơn nên được sử dụng trong nghiên cứu này. Bảng 3.1. Hằng số mạng lưới và năng lượng dải trống Eg của anatase Thực nghiệm Lý thuyết (DFT/PBE-WC) Lý thuyết (DFTB) Hằng số mạng lưới (Å) A 3.733 3.771 3.781 C 9.370 9.683 9.499 Eg (eV) 3.2 2.2 3.18 Kết quả tính mật độ trạng thái điện tử và cấu trúc dải năng lượng thu được từ phương pháp DFTB được trình bày trong hình 3.1: Ti4sp Ti3d O2p+Ti3d O2s Ti4sp Ti3d N2p O2s O2p+Ti3d Hình 3.1. Giản đồ mật độ trạng thái điện tử và cấu trúc dải năng lượng của anatase: a. Không biến tính N3-; b. Có biến tính N3- Từ hình 3.1 cho thấy, khi có sự thay thế N3- vào vị trí O2- đã làm thay đổi cấu trúc dải năng lượng của TiO2 và thu hẹp dải trống năng lượng của TiO2, đồng thời xuất hiện thêm một mức năng lượng mới tương ứng trạng thái N2p nằm trên VB. Mức năng lượng này đóng vai trò cầu nối giữa VB và CB, nó làm thu hẹp dải trống năng lượng của TiO2 từ 3.18 eV xuống còn 1.93 eV, ứng với l = 643 nm. Tuy nhiên, do mật độ trạng thái N 2p thấp, hàm lượng thay thế nhỏ nên xác suất electron nhảy qua cầu N 2p còn nhỏ. Vì vậy, nếu electron nhảy thẳng từ VB lên CB thì cần năng lượng 2.50 eV, ứng với l = 496 nm. Như vậy, khi biến tính nitơ đã làm chuyển dải hấp thụ quang của TiO2 từ vùng UV sang vùng khả kiến. 3.1. 2. Phân tích dữ liệu từ XRD Phổ XRD của các mẫu thu được khi thủy phân dung dịch TiCl4 trong nước có và không có NH3 sau khi sấy được đưa ra trên hình 3.2. Hình 3.2. Phổ XRD các mẫu chưa nung thủy phân trong các điều kiện khác nhau Phổ XRD các mẫu thủy phân có NH3 với các tỉ lệ Z khác nhau nung ở 600oC được đưa ra trên hình 3.3. Hình 3.3. Giản đồ XRD các mẫu thủy phân có NH3 với các tỉ lệ Z khác nhau nung ở 600oC Từ hình 3.2 và 3.3 cho thấy: a. mức độ tinh thể hoá khi thuỷ phân ở 90oC cao hơn ở 30oC do có các píc đặc trưng cho pha rutile cao hơn (Hình 9c); sau khi nung ở 600oC, mẫu này chỉ có pha rutile (Hìn 3.3 (Z=0)); b. pha rutile được bảo toàn ngay trong điều kiện nồng độ HCl = 1.4M, nhiệt độ thuỷ phân 30oC, thấp hơn điều kiện [HCl] ≥ 2.0M, nhiệt độ ≥ 60oC như một số công trình đã công bố; c. thành phần pha của sản phẩm phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ Z, như vậy có thể điều chỉnh thành phần pha nhờ điều chỉnh tỉ lệ NH3/Ti trong quá trình thủy phân TiCl4; d. khi thuỷ phân TiCl4 có mặt NH3, kích thước hạt trung bình giảm ~ 6 nm so với khi thuỷ phân trong dung dịch nước ở cùng điều kiện điều chế, nhỏ nhất đạt 17.1 nm. 3.1.3. Phổ EDS Phổ EDS của mẫu thủy phân trong NH3 được đưa ra trên hình 3.4: Hình 3.4. Phổ EDS mẫu thủy phân trong NH3 Phổ EDS cho thấy xuất hiện píc đặc trưng của nitơ bên cạnh píc đặc trưng của oxy, trong khi đó mẫu không doping nitơ thì không suất hiện píc này. Điều đó cho thấy nitơ đã có mặt trong tinh thể TiO2. 3.1.4. Phổ UV – Vis Phổ UV-Vis của mẫu có biến tính và không biến tính nitơ được đưa ra trên hình 3.5. Hình 3.5. Phổ UV-Vis của mẫu có biến tính và không biến tính nitơ Từ phổ UV – Vis có thể thấy, dải hấp thụ quang của mẫu có nitơ dịch chuyển về phía ánh sáng nhìn thấy với biên dải hấp thụ là λ1 = 400 nm, λ2 = 510 nm, tương ứng Eg1 = 3.1 eV, Eg2 = 2.43 eV (Eg tb = 2.76 eV). 3.1.5. Hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm Hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm được kiểm tra qua phản ứng phân huỷ xanh metylen dưới sự chiếu xạ ánh sáng đèn compac 40W. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất phân huỷ xanh metylen của mẫu có doping nitơ đạt gần 99.0%, cao gấp 1.85 lần mẫu không doping nitơ trong cùng điều kiện thí nghiệm. Điều đó đã chứng tỏ ảnh hưởng rõ rệt của nitơ doping TiO2 đến khả năng quang xúc tác của sản phẩm. 3.2. Điều chế bột TiO2 kích thước nm biến tính bằng N theo phương pháp thủy phân TiCl4 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ NH3 đến khả năng quang xúc tác của sản phẩm Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.2. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn nồng độ NH3 dùng để chế hoá huyền phù TiO2.nH2O thay đổi từ 10-4M đến 2M. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sản phẩm bột TiO2 đã được chế hoá với dung dịch NH3 0.6M được đưa ra trên hình 3.6: Hình 3.6. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu sản phẩm được điều chế ở nồng độ NH3 0.6M Giản đồ phân tích nhiệt trên hình 3.6 cho thấy, trên đường TG xuất hiện hai píc mất khối lượng kèm theo hiệu ứng thu nhiệt: píc thứ nhất ở 124.85oC, tương tự như trên giản đồ của mẫu TiO2 không được chế hóa bởi dung dịch NH3, hiệu ứng này có thể được quy cho quá trình mất nước kết tinh; píc thứ hai ở 300.77oC, hiệu ứng này được quy cho quá trình phân hủy NH4Cl được tạo thành khi các ion Cl hấp phụ kết hợp với NH3 trong dung dịch khi biến tính. Khi nung ở nhiệt độ ³ 550oC, mẫu sản phẩm có khối lượng không đổi. Vì vậy, chúng tôi chọn nhiệt độ nung là 600oC cho các thí nghiệm tiếp theo trong mục 3.2. Phổ XRD của các mẫu sản phẩm bột TiO2 đã được chế hoá với dung dịch NH3 0.6M được đưa ra trên hình 3.7: Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở nồng độ NH3 0.6M Từ giản đồ XRD trên hình 3.7 có thể thấy, sản phẩm có mức độ kết tinh cao và là hỗn hợp gồm hai pha anatase và rutile. 2-Theta - Scale 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 Lin (Cps) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Phổ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở nồng độ NH3 khác nhau được đưa ra trên hình 3.8: Hình 3.8. Phổ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở nồng độ NH3 khác nhau: 1-0.0001M; 2- 0.01M; 3- 0.1M; 4- 0.2M; 5- 0.4M; 6- 0.6M; 7- 0.8M; 8- 1M; 9- 1.5M; 10- 2M Từ hình 3.8 cho thấy tất cả các mẫu đều có mức độ kết tinh cao. Ngoại trừ mẫu ở nồng độ NH3 10-4M có 100% là anatase, các mẫu còn lại đều gồm 2 pha anatase và rutile. Khi nồng độ NH3 tăng từ 0.01 đến 2M thì % pha rutile có xu hướng giảm dần. Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ NH3 đến phần trăm phân hủy xanh metylen Mẫu Nồng độ NH3 (mol/l) Phần trăm phân hủy xanh metylen (%) 1 0.0001 80.0 2 0.01 87.0 3 0.1 94.0 4 0.2 97.0 5 0.4 99.1 6 0.6 99.7 7 0.8 99.6 8 1 99.3 9 1.5 99.2 10 2 98.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ NH3 đến hiệu suất phân huỷ quang xúc tác xanh metylen được đưa ra trong hình 3.9. Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ NH3 đến phần trăm phân hủy xanh metylen. Hình 3.9 cho thấy các mẫu sản phẩm đều có khả năng quang xúc tác cao dưới bức xạ của đèn compac. Khi tăng nồng độ NH3 từ 10-4M đến 2M, hiệu suất phân huỷ xanh metylen tăng lên, đạt cực đại (99.8%) ở 0.6M sau đó giảm xuống. Phổ EDS của mẫu sản phẩm bột TiO2 thu được khi chế hoá huyền phù TiO2 với NH3 0.6M được đưa ra trên hình 3.10: Hình 3.10. Phổ EDS của mẫu sản phẩm bột TiO2 thu được khi chế hoá huyền phù TiO2 với NH3 0.6M Phổ EDS trên hình 3.10 xuất hiện píc xác nhận sự có mặt của N trong mẫu được chế hóa với dung dịch NH3, trong khi với mẫu không chế hoá với NH3 thì không xuấy hiện píc này. 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ Lỏng/Rắn (L/R) Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.2. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: + Tỉ lệ thể tích dung dịch NH3 0.6M/khối lượng TiO2 thay đổi từ 3.50 đến 38.20 (ml/g). Phổ XRD của các mẫu được điều chế ở tỉ lệ L/R khác nhau được đưa ra trên hình 3.11: 2-Theta - Scale 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 Lin (Cps) 1 6 5 4 3 2 Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở tỉ lệ L/R khác nhau: 1-3.5; 2- 10.42; 3- 17.36; 4- 24.3; 5-31.24; 6- 38.2 ml/g Từ hình 3.11 cho thấy tất cả các mẫu đều có mức độ kết tinh cao. Khi tỉ lệ L/R tăng dần thì % pha rutile cũng tăng dần. Bảng 3.3. Ảnh hưởng tỉ lệ thể tích dung dịch NH3 0.6M /khối lượng TiO2 đến phần trăm phân hủy xanh metylen. Mẫu Tỉ lệ thể tích dung dịch NH3 0.6M /khối lượng TiO2(ml/g) Phần trăm phân hủy xanh metylen (%) 1 3.5 93.20 2 10.42 94.40 3 17.36 95.05 4 24.30 95.16 5 31.24 95.10 6 38.20 95.13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất phân huỷ quang xúc tác của sản phẩm được đưa ra trên hình 3.12: Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất phân huỷ quang xúc tác xanh metylen. Từ hình 3.12 cho thấy, khi tỉ lệ L/R tăng từ 3.50 đến 17.36 ml/g, hiệu suất phân huỷ xanh metylen tăng nhanh, sau đó tốc độ tăng chậm dần. Khi tỉ lệ L/R > 24.30 thì hiệu suất phân huỷ hầu như không đổi. Điều này theo chúng tôi, có liên quan đến mức độ bão hòa của quá trình thâm nhập N vào TiO2.nH2O. Như vậy, tỉ lệ L/R thích hợp để chế hóa huyền phù TiO2.nH2O là 17.36 đến 24.30 (ml/g). Điều thú vị là khi thuỷ phân TiCl4 trong dung môi etanol-nước và sau đó chế hoá TiO2.nH2O với dung dịch NH3, chỉ cần nung ở 600OC thì thành phần rutile trong sản phẩm đã khá cao (>50%), thể hiện trên giản đồ XRD ở hình 3.11. Điều này không giống với một số công trình nghiên cứu trước đây, sản phẩm nung ở nhiệt độ đó chỉ có duy nhất anatase. 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.2. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: Thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 thay đổi từ 10 – 120 phút. Phổ XRD của các mẫu được điều chế ở thời gian chế hóa với dung dịch NH3 0.6M khác nhau được đưa ra trên hình 3.12: 2-Theta - Scale 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 Lin (Cps) 1 2 3 4 5 Hình 3.12. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 khác nhau. 1-10 phút; 2- 30 phút; 3- 60 phút; 4- 90 phút; 5- 120 phút Từ hình 3.12 cho thấy tất cả các mẫu đều có mức độ kết tinh cao và gồm 2 pha anatase và rutile. Khi thời gian chế hoá huyền phù tăng dần thì % pha rutile cũng tăng dần. Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 đến phần trăm phân hủy xanh metylen Mẫu Thời gian (phút) Phần trăm phân hủy xanh metylen (%) 1 10 97.4 2 30 99.8 3 60 97.7 4 90 97.1 5 120 96.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 đến phần trăm phân hủy xanh metylen được đưa ra trên hình 3.13: Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 đến phần trăm phân hủy xanh metylen Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi thời gian chế hoá thay đổi từ 10 phút đến 2h, mẫu sản phẩm có hiệu suất quang xúc tác phân huỷ xanh metylen cực đại (99.8%) ứng với thời gian chế hoá huyền phù TiO2.nH2O với dung dịch NH3 là 30 phút. 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung Các thí nghiệm được tiến hành với cùng mẫu TiO2 đã được sấy khô trong tủ sấy chân không nhưng chưa nung. Nhiệt độ nung thay đổi từ 400oC¸800oC, thời gian nung là 2h. Phổ XRD của các mẫu sản phẩm được điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau được đưa ra trong hình 3.14: 2-Theta - Scale 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 Lin (Cps) 1 3 2 4 5 6 7 8 Hình 3.14. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm được điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau. 1- 400oC; 2- 450oC; 3- 500oC; 4- 550oC; 5- 600oC; 6- 650oC; 7- 700oC; 8- 800oC. Từ hình 3.14 cho thấy, các mẫu có mức độ kết tinh cao. Các mẫu được nung ở nhiệt độ 400 và 450oC gồm 100% anatase. Khi nhiệt độ nung tăng từ 500oC trở lên thì % pha rutile tăng dần. Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến phần trăm phân hủy xanh metylen Mẫu Nhiệt độ nung, oC % anatase % rutile Tỉ lệ rutile/ anatase Hiệu suất phân hủy xanh metylen, % 1 400 100 0 0 89.3 2 450 100 0 0 90.7 3 500 90.50 9.43 0.10 93.0 4 550 51.25 48.36 0.94 98.0 5 600 42.61 57.00 1.33 99.6 6 650 28.18 71.43 2.53 97.3 7 700 15.58 84.03 5.40 93.4 8 800 3.31 96.30 29.1 85.9 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất phân huỷ quang của các mẫu vào nhiệt độ nung được đưa ra trên đồ thị ở hình 3.15: Hình 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến phần trăm phân hủy xanh metylen. Hình 3.16. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tỉ lệ rutile/anatase. Từ hình 3.15 có thể thấy, khi tăng nhiệt độ nung từ 400oC đến 800oC, hiệu suất phân huỷ xanh metylen tăng lên, đạt cực đại ở 600oC, sau đó giảm xuống khi nhiệt độ nung tăng từ 600oC đến 800oC. Điều này theo chúng tôi là do ảnh hưởng của nhiều yếu tố: sự chuyển pha anatase thành rutile, sự có mặt của nitơ trong cấu trúc tinh thể và kích thước hạt sản phẩm. Các yếu tố này lại bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ nung. Khi tăng nhiệt độ nung, xảy ra quá trình mất khối lượng nước kết tinh và NH3 đã được hấp thu trong sản phẩm, quá trình chuyển pha từ anatase sang rutile xảy ra kèm theo quá trình tăng kích thước hạt. Ở vùng nhiệt độ < 600oC, thành phần và cấu trúc mẫu ổn định dần khi nhiệt độ nung tăng nên hoạt tính quang xúc tác tăng. Ở vùng nhiệt độ 600oC¸800oC, cấu trúc rutile tăng mạnh và kích thước hạt cũng tăng nhanh làm cho hoạt tính giảm mạnh. Vì vậy, nhiệt độ nung thích hợp là 600oC. 3.3. Điều chế bột TiO2 kích thước nm biến tính bằng hỗn hợp N và Zn theo phương pháp khử thủy phân TiCl4 3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ti4+ trong dung dịch khi thủy phân Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.3. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: Nồng độ TiCl4 thay đổi từ 0.42 đến 1.02M. 2-Theta - Scale 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 Lin (Cps) Phổ XRD của các mẫu điều chế ở nồng độ TiCl4 khác nhau được đưa ra trong hình 3.16: 2 1 4 3 5 6 Hình 3.16. Phổ XRD của các mẫu được điều chế ở nồng độ dung dịch TiCl4 khác nhau: 1-0.42M; 2-0.54M; 3-0.66M; 4-0.76M; 5-0.90M; 6-1.02M. Từ hình 3.16 có thể thấy các mẫu có mức độ kết tinh cao và gồm 2 pha anatase và rutile. Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất đầu TiCl4 (M) đến hiệu suất phân hủy xanh metylen và hiệu suất điều chế mẫu STT [TiCl4] ( M) ( nm) % anatase % rutile Hiệu suất phân hủy xanh metylen (%) Hiệu suất điều chế ( %) 1 0.42 19.83 78.30 21.57 91.0 82.7 2 0.54 18.51 74.85 25 95.0 83.7 3 0.66 19.41 74.30 25.55 98.0 80.6 4 0.78 19.33 51.65 48.15 96.0 77.9 5 0.96 20.30 61.35 38.46 93.0 77.7 6 1.02 19.39 55.94 43.86 92.0 77.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất điều chế mẫu được đưa ra trong hình 3.17: Hình 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 (M) đến hiệu suất điều chế mẫu Nhận xét: khi nồng độ TiCl4 tăng thì hiệu suất điều chế tăng, và đạt cực đại tại nồng độ 0.54 M, sau đó hiệu suất điều chế giảm dần. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất điều chế mẫu được đưa ra trong hình 3.18: Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 (M) đến hiệu suất phân hủy xanh metylen. Nhận xét: khi nồng độ TiCl4 tăng thì hiệu suất phân hủy quang tăng, và đạt cực đại tại nồng độ 0.66 M, sau đó hiệu suất phân hủy quang giảm dần. 3.3.2. Ảnh hưởng của % tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.3. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: %nZn : nTiCl= 9.32 32.63%. Phổ XRD của các mẫu điều chế ở nồng độ TiCl4 khác nhau được đưa ra trong hình 3.19: 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 2 1 4 3 5 6 Hình 3.19. Phổ XRD của các mẫu được điều chế ở % tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 khác nhau: 1-9.32%; 2-13.99%; 3-18.65%; 4-23.31%; 5-27.97%; 6-32.63% Bảng 3.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Zn/TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen và hiệu suất điều chế mẫu STT % nZn/nTiCl ( nm) % anatase % rutile Hiệu suất phân hủy xanh metylen, % Hiệu suất điều chế (%) 1 9.32 20.40 52.81 46.99 94.9 100 2 13.99 19.70 58.01 41.80 95.7 96.6 3 18.65 17.85 58.41 41.40 97.8 95.2 4 23.31 19.27 60.48 39.32 96.3 88.8 5 27.97 18.31 43.61 56.20 93.1 84.1 6 32.63 18.74 55.20 44.60 92.1 81.8 Có thể nhận thấy rằng, lượng Zn không ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt. Điều khá thú vị là tất cả các mẫu được nung ở 500oC mà hàm lượng pha rutile đã rất cao (~ 45%) điều này không giống với các công bố trước đây. Zn2+ thúc đẩy quá trình chuyển pha anatase thành rutile. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 đến hiệu suất điều chế được đưa ra trong hình 3.20: Hình 3.20. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 đến hiệu suất điều chế Nhận xét: khi lượng Zn tăng thì hiệu suất điều chế giảm. Điều này có thể giải thích như sau: khi lượng Zn tăng, lượng Ti4+ bị khử thành Ti3+ tăng. Ở pH thấp, khả năng thủy phân của Ti3+ và Zn2+ thấp hơn của Ti4+. Nên với cùng lượng TiCl4 ban đầu, khi lượng Zn tăng sẽ thu được ít kết tủa hơn. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen được đưa ra trong hình 3.21: Hình 3.21. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa Zn và TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen. Nhận xét: khi lượng Zn tăng, khả năng phân hủy xanh metylen tăng, và đạt cực đại ở tỉ lệ mol Zn/TiCl4 là 18.65%, khi tỉ lệ này > 18.65% thì khả năng phân hủy quang lại giảm xuống. Có thể giải thích kết quả này như sau: ở nồng độ Zn2+ dưới mức tối ưu, Zn2+ thúc đẩy sự phân tách các cặp e- - lỗ trống trong TiO2 nên khi % tỉ lệ Zn/TiCl4 tăng từ 9.32 đến 18.65% thì hiệu suất phân hủy quang tăng dần. Ở nồng độ Zn2+ trên mức tối ưu, kẽm biến tính chủ yếu đóng vai trò là trung tâm tái kết hợp. Sự tái kết hợp tăng theo nồng độ Zn2+ vì khoảng cách trung bình giữa các vị trí bẫy giảm khi số lượng các phân tử biến tính tăng trên mỗi hạt. Quá trình tái kết hợp của cặp e- - lỗ trống trong TiO2 làm giảm số lượng e- và lỗ trống, dẫn đến làm giảm khả năng quang xúc tác. Nên khi % tỉ lệ Zn/TiCl4 >18.65% thì hiệu quả phân hủy quang có xu hướng giảm dần. 3.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol ure/mol TiCl4 Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.3. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: + Nồng độ TiCl4 là 0.66M + % nZn/nTiCl= 18.65% + nure : nTiCl = 0 3 Các kết quả thực nghiệm được đưa ra ở bảng 9 và các hình 3.22, 3.23, 3.24. Phổ XRD của các mẫu điều chế ở tỉ lệ mol ure/TiCl khác nhau được đưa ra trong hình 3.22: 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 2 1 4 3 5 6 Hình 3.22. Phổ XRD của các mẫu được điều chế ở tỉ lệ mol ure/TiCl4 khác nhau: 1-0; 2-1.0; 3-1.5; 4-2.0; 5-2.5; 6-3.0 Bảng 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nure /nTiClđến hiệu suất phân hủy xanh metylen và hiệu suất điều chế mẫu STT nure/nTiCl ( nm) % anatase % rutile Hiệu suất phân hủy xanh metylen (%) Hiệu suất điều chế (%) 1 0 21.03 3.88 96.09 89.0 54.5 2 1.0 19.95 58.91 40.90 94.4 98.6 3 1.5 20.26 58.47 41.33 95.5 97.4 4 2.0 17.85 58.41 41.40 97.0 95.2 5 2.5 18.46 62.97 36.84 93.0 95.0 6 3.0 19.00 49.80 50 89.0 94.0 Nhận xét: lượng ure không ảnh hưởng đáng kể lên kích thước hạt của sản phẩm. Hàm lượng rutile của các mẫu khá cao, nhất là mẫu số 1 không có ure (96.09% rutile). Rõ ràng là sự có mặt của Zn2+ thúc đẩy rất mạnh quá trình chuyển pha anatase thành rutile. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa ure và TiCl4 đến hiệu suất điều chế được đưa ra trong hình 3.23: Hình 3.23. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa ure và TiCl4 đến hiệu suất điều chế Nhận xét: với mẫu không có ure hiệu suất điều chế khá thấp, với các mẫu còn lại có mặt ure thì hiệu suất điều chế không chênh nhau nhiều. Có thể giải thích như sau: ở nhiệt độ 90-95oC, ure trong dung dịch bị phân hủy theo phương trình: (NH2)2CO + H2O → 2NH3↑ + CO2↑ NH3 sinh ra làm tăng pH dung dịch và tham gia vào quá trình thủy phân. Mẫu không ure có pH cao hơn so với các mẫu còn lại, có thể xảy ra hiện tượng péptít hóa nên khó lắng hơn trong quá trình ly tâm, dẫn đến hiệu suất điều chế thấp. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa ure và TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen được đưa ra trong hình 3.24: Hình 3.24. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa ure và TiCl4 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen Nhận xét: khi tỉ lệ mol giữa ure và TiCl4 tăng thì hiệu suất phân hủy quang tăng, và đạt cực đại tại tỉ lệ 2.0, sau đó hiệu suất điều chế giảm dần. 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung Quá trình thực nghiệm được tiến hành như đã nêu ở mục 2.3.3. Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn: + Nồng độ TiCl4 là 0.66M + % nZn/nTiCl= 18.65% + nure : nTiCl= 2.0 + Nhiệt độ nung thay đổi từ 400 đến 800oC Các kết quả thực nghiệm được đưa ra ở bảng 10 và các hình 3.25, 3.26. Phổ XRD của các mẫu điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau được đưa ra trong hình 3.25: 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 6 5 4 3 2 7 8 1 9 Hình 3.25. Giản đồ XRD của các mẫu điều chế ở nhiệt độ nung (oC) khác nhau: 1-400; 2-450; 3-500; 4-550; 5-600; 6-650; 7-700; 8-750; 9-800oC Từ hình 3.25 cho thấy các mẫu điều chế được có mức độ kết tinh cao. Mẫu nung ở 400oC đã có hàm lượng rutile khá cao (33.10 %). Khi nhiệt độ nung tăng dần thì hàm lượng pha rutile tăng dần. Các mẫu được nung ở 700oC trở lên gồm 100% là rutile. Bảng 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen. STT Nhiệt độ nung (oC) (nm) % anatase % rutile Tỉ lệ anatase/rutile Hiệu suất phân hủy xanh metylen, % 1 400 14.45 66.72 33.10 2.02 94.0 2 450 16.69 64.61 35.21 1.83 96.0 3 500 18.00 62.35 37.46 1.66 97.0 4 550 19.40 58.47 41.33 1.41 95.0 5 600 21.21 47.00 52.80 0.89 93.0 6 650 24.65 36.60 63.22 0.58 90.0 7 700 - 0 100 0 89.0 8 750 - 0 100 0 85.0 9 800 - 0 100 0 80.0 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen được đưa ra trong hình 3.26: Hình 3.26. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy xanh metylen Từ hình 3.26 có thể thấy, khi tăng nhiệt độ nung từ 400oC đến 800oC, hiệu suất phân huỷ xanh metylen tăng lên, đạt cực đại ở 500oC, sau đó giảm xuống khi nhiệt độ nung tăng từ 500oC đến 800oC. Điều này theo chúng tôi là do ảnh hưởng của nhiều yếu tố: sự chuyển pha anatase thành rutile, sự có mặt của nitơ trong cấu trúc tinh thể và kích thước hạt sản phẩm. Các yếu tố này lại bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ nung. Khi tăng nhiệt độ nung, xảy ra quá trình mất khối lượng nước kết tinh và NH3 đã được hấp thụ trong sản phẩm, quá trình chuyển pha từ anatase sang rutile xảy ra kèm theo quá trình tăng kích thước hạt. Ở vùng nhiệt độ < 500oC, thành phần và cấu trúc mẫu ổn định dần khi nhiệt độ nung tăng nên hoạt tính quang xúc tác tăng. Ở vùng nhiệt độ 500oC¸800oC, cấu trúc rutile tăng mạnh và kích thước hạt cũng tăng nhanh làm cho hoạt tính giảm mạnh. Vì vậy, nhiệt độ nung thích hợp là 500oC. KẾT LUẬN 1. Đã sử dụng phương pháp DFTB với phần mềm DFTB+ để tính toán lý thuyết xác định cấu trúc điện tử và giản đồ năng lượng của TiO2. Kết quả cho thấy, khi N3- thay thế vào vị trí O2- đã làm thay đổi cấu trúc dải năng lượng của TiO2 và xuất hiện thêm một mức năng lượng mới tương ứng trạng thái N 2p nằm trên vùng hóa trị làm cho dải trống năng lượng của TiO2 chỉ còn 1.93 eV. Tuy nhiên, xác suất electron nhảy qua cầu N 2p còn nhỏ do mật độ trạng thái N 2p thấp, hàm lượng thay thế nhỏ. Nếu electron nhảy thẳng từ VB lên CB, cần năng lượng 2.50 eV, tương ứng với l = 496 nm. Như vậy, nitơ biến tính đã làm giảm năng lượng vùng cấm của vật liệu tương ứng với vùng ánh sáng khả kiến. 2. Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của NH3 đến bột TiO2 kích thước nm được điều chế bằng phương pháp thủy phân TiCl4 trong dung dịch nước. Kết quả cho thấy, thành phần pha và kích thước hạt sơ cấp của sản phẩm thay đổi theo tỉ lệ mol NH3/Ti (Z). Bột thu được sau khi sấy với Z = 0 có mầm rutile, Z = 2 có mầm anatase và Z ≥ 3 là vô định hình; sau khi nung ở 600oC, sản phẩm chỉ có pha rutile, hỗn hợp hai pha anatase, rutile và chỉ có pha anatase tương ứng; kích thước hạt giảm ~6 nm so với khi thủy phân không có NH3. Phổ UV-Vis của sản phẩm điều chế được cho thấy, biên dải hấp thụ quang của sản phẩm chuyển dịch về phía sóng dài λ = 400 ÷ 510 nm, ứng với Eg tb = 2.76 eV. Hiệu suất phản ứng quang xúc tác của sản phẩm cao gấp 1.85 lần so với sản phẩm thủy phân không có NH3. Như vậy, kết quả thực nghiệm phù hợp tốt với tính toán lý thuyết theo phương pháp DFTB với phần mềm DFTB+. 3. Đã khảo sát quá trình điều chế bột TiO2 được biến tính bởi nitơ bằng cách thuỷ phân TiCl4 trong dung môi etanol-nước, sau đó chế hoá huyền phù TiO2.nH2O thu được với dung dịch NH3 trong nước. Kết quả khảo sát cho thấy, điều kiện thích hợp cho quá trình biến tính là: + Tỉ lệ thể tích dung dịch NH3 0.6M/khối lượng TiO2 từ 17.36 ¸24.30 ml/g. + Nồng độ NH3 để chế hoá bùn TiO2.nH2O là 0.6M. + Thời gian chế hoá là 30 phút, nhiệt độ sấy là 80oC trong thời gian 12h trong tủ sấy chân không. + Nung ở 600oC trong 2h. 4. Đã khảo sát quá trình điều chế bột TiO2 được biến tính bởi hỗn hợp nitơ và kẽm từ chất đầu TiCl4 trong dung môi nước. Kết quả khảo sát cho thấy, điều kiện thích hợp cho quá trình biến tính là: + Nồng độ dung dịch TiCl4 thích hợp là 0.66M. + % tỉ lệ mol giữa Zn và Ti4+ là 18.65%. + Tỉ lệ mol giữa ure và Ti4+ là 2.0 + Nhiệt độ thủy phân từ 90-95oC trong thời gian 2h, nhiệt độ sấy là 80oC trong thời gian 12h trong tủ sấy chân không. + Nung ở 500oC trong 2h. 5. Với điều kiện chế hoá trên, nitơ đã tham gia được vào thành phần cấu trúc TiO2, hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm dịch chuyển về vùng ánh sáng nhìn thấy và có hiệu suất phân huỷ xanh metylen cao. Bột TiO2 được biến tính bởi nitơ và kẽm từ chất đầu TiCl4 trong dung môi nước có hiệu suất phân huỷ xanh metylen cao hơn (97%) bột TiO2 biến tính N bằng (NH4)2SO4 theo phương pháp thủy phân TiCl4 (>80%). TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Đăng Độ (2004), “Các phương pháp vật lý trong hóa học”, NXB ĐHQGHN. Ngô Sỹ Lương, Nguyễn Kim Suyến, Trần Thị Liên, Lê Diên Thân (2009), “Điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy của bột titan dioxit kích thước nm được biến tính bằng nitơ”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học, 14 (3), Tr. 31-34. Ngô Sỹ Lương, Đặng Thanh Lê (2008), “Điều chế bột anatase kích thước nano mét bằng cách thuỷ phân titan isopropoxit trong dung môi cloroform- nước”, Tạp chí hóa học, T.46 (2A), Tr.177-181. 4. Ngô Sỹ Lương, Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Văn Hưng, Thân Văn Liên, Trần Minh Ngọc (2009), “Nghiên cứu quy trình điều chế titan đioxit kích thước nanomet từ tinh quặng inmenit Hà Tĩnh bằng phương pháp axit sunfuric. 3. Khảo sát quá trình thủy phân đồng thể dung dịch titanyt sunfat có mặt ure để điều chế titan đioxit kích thước nanomet”, Tạp chí hóa học, 47 (2A), Tr.150-154. Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải (2002), “Khử amoni trong nước và nước thải bằng phương pháp quang hóa với xúc tác TiO2”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, 40(3), trang 20-29. Tiếng Anh 6. Aditi R. Gandhe, Julio B. Fernandes (2005), “A simple method to synthesize N-doped rutile titania with enhanced photocatalytic activity in sunlight”, Journal of Solid State Chemistry, 178 (9), pp. 2953-2957. 7. Aditi R. Gandhe, Sajo P. Naik, Julio B. Fernandes (2005), “Selective synthesis of N-doped mesoporous TiO2 phases having enhanced photocatalytic activity”, Microporous and Mesoporous Materials, 87 ( 2), pp. 103-109. 8. Beata Kosowska, Sylwia Mozia, Antoni W. Morawski, Barbara Grzmil, Magdalena Janus, Kazimierz Kałucki (2005), “The preparation of TiO2–nitrogen doped by calcination of TiO2·xH2O under ammonia atmosphere for visible light photocatalysis”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 88 (3), pp. 269-280. 9. Beata Wawrzyniak, Antoni W. Morawski (2006), “Solar-light-induced photocatalytic decomposition of two azo dyes on new TiO2 photocatalyst containing nitrogen”, Applied Catalysis B: Environmental, 62 (1-2), pp. 150-158. 10. Biljana F. Abramović, Daniela V. Šojić, Vesna B. Anderluh, Nadica D. Abazović, Mirjana I. Čomor (2009), “Nitrogen-doped TiO2 suspensions in photocatalytic degradation of mecoprop and (4-chloro-2-methylphenoxy)acetic acid herbicides using various light sources”, Desalination, 244 (1-3), pp. 293-302. 11. Cheng Chen, Zhuyi Wang, Shengping Ruan, Bo Zou, Meng Zhao, Fengqing Wu (2008), “Photocatalytic degradation of C.I. Acid Orange 52 in the presence of Zn-doped TiO2 prepared by a stearic acid gel method”, Sciencedirect, Dyes and Pigments, 77, pp. 204-209. 12. Danzhen Li, Hanjie Huang, Xu Chen, Zhixin Chen, Wenjuan Li, Dong Ye, Xianzhi Fu (2007), “New synthesis of excellent visible-light TiO2−xNx photocatalyst using a very simple method”, Journal of Solid State Chemistry, 180 (9), pp. 2630-2634. 13. Deyong Wu, Mingce Long, Weimin Cai, Chao Chen, Yahui Wu (2010), Low temperature hydrothermal synthesis of N-doped TiO2 photocatalyst with high visible-light activity”, Journal of Alloys and Compounds, In Press, Corrected Proof, Available online 5 May 2010. 14. Di Li, Hajime Haneda, Shunichi Hishita, Naoki Ohashi (2005), “Visible-light-driven nitrogen-doped TiO2 photocatalysts: effect of nitrogen precursors on their photocatalysis for decomposition of gas-phase organic pollutants”, Materials Science and Engineering B, 117 (1), pp. 67-75. 15. Donggen Huang, Shijun Liao, Shuiqing Quan, Zongjian He, Jinbao Wan, Wenbin, Zhon (2008), “Synthesis and characterization of visible light responsive N–TiO2 mixed crystal by a modified hydrothermal process”, Journal of Non-Cryslline Solids, 354, pp. 3965-3972. 16. Feng Peng, Lingfeng Cai, Hao Yu, Hongjuan Wang, Jian Yang (2008), “Synthesis and characterization of substitutional and interstitial nitrogen-doped titanium dioxides with visible light photocatalytic activity”, Journal of Solid State Chemistry, 181 (1), pp. 130-136. 17. Feng Peng, LingfengCai, Lei Huang, Hao Yu, Hongjuan Wang (2008), Preparation of nitrogen-doped titanium dioxide with visible-light photocatalytic activity using a facile hydrothermal method”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 69 (7), pp. 1657-1664. 18. Gang Liu, Feng Li, Zhigang Chen, Gao Qing Lu, Hui-Ming Cheng (2006), “The role of NH3 atmosphere in preparing nitrogen-doped TiO2 by mechanochemical reaction”, Journal of Solid State Chemistry, 179 (1), pp. 331-335. 19. Gang Liu, Xuewen Wang, Zhigang Chen, Hui-Ming Cheng, Gao Qing (Max) Lu (2009), “The role of crystal phase in determining photocatalytic activity of nitrogen doped TiO2”, Journal of Colloid and Interface Science, 329 (2), pp. 331-338. 20. Hao-Li Qin, Guo-Bang Gu, Song Liu (2008), “Preparation of nitrogen-doped titania with visible-light activity and its application”, Comptes Rendus Chimie, 11 (1-2), pp. 95-100. 21. Hao-Li Qin, Guo-Bang Gu, Song Liu (2008), “Preparation of nitrogen-doped titania using sol–gel technique and its photocatalytic activity”, Materials Chemistry and Physics, 112 (2), pp. 346-352. 22. Hongqi Sun, Yuan Bai, Huijing Liu, Wanqin Jin, Nanping Xu (2009), “Photocatalytic decomposition of 4-chlorophenol over an efficient N-doped TiO2 under sunlight irradiation”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 201 (1), pp. 15-22. 23. Huang YU, Xuxu ZHENG, Zhongyi YIN, Feng TAG, Beibei FANG, Keshan HOU (2007), “Preparation of Nitrogen-doped TiO2 Nanoparticle Catalyst and Its Catalytic Activity under Visible Light”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 15 (6), pp. 802-807.45. 24. In-Cheol Kang, Qiwu Zhang, Junya Kano, Shu Yin, Tsugio Sato, Fumio Saito (2007), “Synthesis of nitrogen doped TiO2 by grinding in gaseous NH3”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 189 (2-3), pp. 232-238. 25. J. Senthilnathan, Ligy Philip. Photocatalytic degradation of lindane under UV and visible light using N-doped TiO2. Chemical Engineering Journal, In Press, Corrected Proof, Available online 24 April 2010. 26. Ju-Won Jeon, Jeong-Rang Kim, Son-Ki Ihm (2010), “Continuous one-step synthesis of N-doped titania under supercritical and subcritical water conditions for photocatalytic reaction under visible light”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 71 (4), pp. 608-611. 27. K. Kobayakawa, Y. Murakami, Y. Sato (2005), “Visible-light active N-doped TiO2 prepared by heating of titanium hydroxide and urea”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 170 (2), pp.177-179. 28. K.M. Parida, Brundabana Naik (2009), “Synthesis of mesoporous TiO2 − xNx spheres by template free homogeneous co-precipitation method and their photo-catalytic activity under visible light illumination”, Journal of Colloid and Interface Science, 333 (1), pp.269-276. 29. Massimiliano D’Arienzo, Roberto Scotti, Laura Wahba, Chiara Battocchio, Edoardo Bemporad, Angeloclaudio Nale, Franca Morazzoni (2009), “Hydrothermal N-doped TiO2: Explaining photocatalytic properties by electronic and magnetic identification of N active sites”, Applied Catalysis B: Environmental, 93 (1-2), pp. 149-155. 30. Peilin Zhang, Bin Liu, Shu Yin, Yuhua Wang, Valery Petrykin, Masato Kakihana, Tsugio Sato (2009), “Rapid synthesis of nitrogen doped titania with mixed crystal lattice via microwave-assisted hydrothermal method”, Materials Chemistry and Physics, 116 (1), pp. 269-272. 31. Yin Zhao, Chunzhong Li, Xiuhong Liu, Leng Gu, H.L. Du, Liyi Shi (2008), “Zn-doped TiO2 nanoparticles with high photocatalytic activity synthesized by hydrogen-oxygen diffusion flame”, Applied Catalysis B: Environment, 79, pp. 208-215. 32. Xiaobo Chen, Samuel S. Mao (2007), “Titanium dioxide nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications”, Chemical Reviews, 107 (7), 2891-2959.