Nghiên cứu tổng hợp composite g-C3N4/CdS ứng dụng làm chất xúc tác quang xử lý hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ KIM DIỄM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP

COMPOSITE g-C3N4/CdS ỨNG DỤNG LÀM CHẤT

XÚC TÁC QUANG XỬ LÝ HỢP CHẤT HỮU CƠ GÂY

Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hoá lý

Mã số: 8440119

Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THỊ VIỆT NGA

TS. NGUYỄN VĂN KIM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc thực

hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS.Nguyễn Thị Việt Nga và TS.

Nguyễn Văn Kim.

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn

này là trung thực và chƣa từng công bố dƣới bất cứ hình thức nào.

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến

PGS.TS. Nguyễn Thị Việt Nga và TS. Nguyễn Văn Kim ngƣời đã tận tình

giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, các anh, chị, các bạn ở

phòng thực hành thí nghiệm hóa học- Khu A6- Trƣờng Đại học Quy Nhơn, đã

giúp đỡ, tạo điều kiện, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ

tinh thần trong thời gian tôi thực hiện luận văn.

Mặc dù đã rất cố gắng tuy nhiên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi

những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý của quý thầy cô để luận văn

đƣợc hoàn thiện hơn!

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài....................................................................................... 1

2. Mục tiêu của đề tài.................................................................................... 2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 2

4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 3

5. Nội dung nghiên cứu................................................................................. 3

6. Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..................................................... 5

1.1. VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG ............................................................... 5

1.1.1. Khái niệm xúc tác quang..................................................................... 5

1.1.2. Cơ chế phản ứng quang xúc tác .......................................................... 6

1.1.3. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu xúc tác quang ................................ 8

1.2. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU g-C3N4 ............................................................ 11

1.2.1. Đặc điểm cấu tạo g-C3N4 .................................................................. 11

1.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp và tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực

xúc tác quang của g-C3N4 ........................................................................... 12

1.3. GIỚI THIỆU VỀ CADMIUM (II) SUNFIDE......................................... 15

1.3.1 Cấu trúc và tính chất của CdS............................................................ 15

1.3.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng của CdS và CdS biến tính trong

lĩnh vực xúc tác quang ................................................................................ 17

1.4. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU COMPOSITE g-C3N4/CdS............................. 19

1.5. GIỚI THIỆU VỀ METHYLENE BLUE................................................. 20

CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM......................................... 22

2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU XÚC TÁC........................................................ 22

2.1.1. Hoá chất ............................................................................................ 22

2.1.2. Dụng cụ ............................................................................................. 22

2.1.3. Tổng hợp vật liệu .............................................................................. 23

2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU ................................ 24

2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơn-ghen (X-ray Diffraction, XRD) ........... 24

2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................... 25

2.2.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)............................... 26

2.2.4. Phƣơng pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) ................................... 27

2.2.5. Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV￾Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis DRS)......................... 28

2.2.6. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy, IR).............. 31

2.2.7. Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (Energy Dispersive X-ray

Spectroscopy, EDX hay EDS) .................................................................... 33

2.3. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU

TỔNG HỢP..................................................................................................... 34

2.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ .......................................... 34

2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang của vật liệu................................... 35

2.3.3. Phân tích định lƣợng methylene blue ............................................... 36

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 39

3.1. ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU....................................................................... 39

3.1.1. Đặc trƣng vật liệu g-C3N4 ................................................................. 39

3.1.2. Đặc trƣng vật liệu CdS...................................................................... 40

3.1.3. Đặc trƣng vật liệu composite g-C3N4/CdS........................................ 45

3.2. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU

TỔNG HỢP..................................................................................................... 53

3.2.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác của các vật liệu tổng hợp........................ 53

3.2.2. Khảo sát các yếu tố thực nghiệm ảnh hƣởng tới quá trình quang

xúc tác của vật liệu g-C3N4/CdS ................................................................. 57

3.3. KHẢO SÁT CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ........................................................ 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 68

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.......................... 70

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

* CÁC KÝ HIỆU

C : Nồng độ (mg/L)

g : gam

l : lít

mg : miligam

nm : nanomet

λ

: Bƣớc sóng (nm)

d : Kích thƣớc hạt trung bình

C1-1: CdS đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt từ Cd(NO3)2.4H2O

và CH3CSNH2 theo tỷ lệ 1:1 về khối lƣợng.

C1-2: CdS đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt từ Cd(NO3)2.4H2O và

CH3CSNH2 theo tỷ lệ 1:2 về khối lƣợng.

C3-2: CdS đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt từ Cd(NO3)2.4H2O và

CH3CSNH2 theo tỷ lệ 3:2 về khối lƣợng.

5% CN/CdS : Vật liệu composite g-C3N4/CdS đƣợc tổng hợp bằng

phƣơng pháp ngâm tẩm kết hợp siêu âm từ g-C3N4 và

CdS theo tỉ lệ 0,05:1 về khối lƣợng.

10% CN/CdS : Vật liệu composite g-C3N4/CdS đƣợc tổng hợp bằng

phƣơng pháp ngâm tẩm kết hợp siêu âm từ g-C3N4 và

CdS theo tỉ lệ 0,1:1 về khối lƣợng.

15% CN/CdS : Vật liệu composite g-C3N4/CdS đƣợc tổng hợp bằng

phƣơng pháp ngâm tẩm kết hợp siêu âm từ g-C3N4 và

CdS theo tỉ lệ 0,15:1 về khối lƣợng.

* CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CB : Conduction band (Vùng dẫn)

eˉCB : Photogenerated electron (Electron quang sinh)

Eg : Band gap energy (Năng lƣợng vùng cấm)

EDS: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán sắc năng lƣợng tia X)

h⁺

VB : Photogenerated hole (Lỗ trống quang sinh)

IR : Infrared (Phổ hồng ngoại)

MB : Methylene blue (Xanh metylen)

RhB : Rhodamine B

MO : Methyl orange (Methyl da cam)

SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

TEM : Transmission electron microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền

qua)

UV-Vis DRS : UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản xạ

khuếch tán tử ngoại khả kiến)

VB : Valance band (Vùng hóa trị)

XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X - Nhiễu xạ tia Rơnghen)

XPS : Phổ quang điện tử tia X

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng ........................................................... 22

Bảng 2.2. Dãy dung dịch xây dựng đƣờng chuẩn methylene blue ................. 36

Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố trong mẫu C1-1.................................... 43

Bảng 3.2. Năng lƣợng vùng cấm của CdS ở một số công trình đã công bố

và của nhóm nghiên cứu.................................................................. 44

Bảng 3.3. Thành phần các nguyên tố C, N, Cd, S trong mẫu vật liệu g￾C3N4/CdS ......................................................................................... 50

Bảng 3.4. Sự dịch chuyển giá trị năng lƣợng của các obital trong

composite g-C3N4/CdS so với các vật liệu thành phần CdS và

g-C3N4 .............................................................................................. 52

Bảng 3.5. Hằng số tốc độ của vật liệu CdS, g-C3N4 và CN/CdS ở các tỉ lệ ... 56

Bảng 3.6. Sự thay đổi giá trị ΔpHi

theo pHi

.................................................... 61

Bảng 3.7. Giá trị ECB, EVB của các vật liệu bán dẫn g-C3N4, CdS.................. 66