Tổng hợp xúc tác dị cấu trúc cotio3 tio2 cho phản ứng quang phân hủy cinnamic acid ở pha lỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP XÚC TÁC DỊ CẤU TRÚC CoTiO3-TiO2

CHO PHẢN ỨNG QUANG PHÂN HỦY CINNAMIC ACID

Ở PHA LỎNG

GVHD: TS. NGUYỄN TRÍ

SVTH: NGUYỄN THỊ THU THẢO

MSSV: 1613221

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP XÚC TÁC DỊ CẤU TRÚC CoTiO3-TiO2

CHO PHẢN ỨNG QUANG PHÂN HỦY CINNAMIC ACID

Ở PHA LỎNG

GVHD: TS. NGUYỄN TRÍ

SVTH: NGUYỄN THỊ THU THẢO

MSSV: 1613221

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: NGUYỄN THỊ THU THẢO MSSV: 1613221

Ngành: Kỹ Thuật Chế biến Dầu khí Lớp: HC16DK

1. TÊN ĐỀ TÀI

Tổng hợp xúc tác dị cấu trúc CoTiO3-TiO2 cho phản ứng quang phân hủy

cinnamic acid ở pha lỏng.

2. NHIỆM VỤ

- Điều chế xúc tác CoTiO3 bằng phương pháp sol – gel và CoTiO3-TiO2 bằng phương

pháp thủy nhiệt.

- Nghiên cứu các đặc trưng lý – hóa (TGA/DSC, XRD, Raman, UV-Vis, BET, SEM,

TEM, FT-IR) của xúc tác CoTiO3-TiO2.

- Tối ưu hóa điều kiện phản ứng quang phân hủy cinnamic acid (hàm lượng xúc tác,

lưu lượng không khí, pH dung dịch).

- So sánh hoạt tính xúc tác CoTiO3-TiO2 và TiO2 tại điều kiện tối ưu trong phản ứng

quang phân hủy cinnamic acid ở pha lỏng.

- Làm sáng tỏ mối tương quan giữa các đặc trưng lý hóa, điều kiện phản ứng và hoạt

tính của các xúc tác.

3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/2019

4. NGÀY HOÀN THÀNH: 24/07/2020

5. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Trí

Nội dung và yêu cầu Luận văn tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 07 năm 2020

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. ĐÀO THỊ KIM THOA TS. NGUYỄN TRÍ

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ): ……………………………………………………………..

Đơn vị: ………………………………………………………………………………......

Ngày bảo vệ: ……………………………….……………………………….…………...

Điểm tổng kết: ………………………………………………………………………......

Nơi lưu trữ: ………………………………………………………………………….......

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin trân trọng cảm ơn vì đã may mắn là một thành viên trong

Khoa Kỹ thuật Hóa học, trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học

Bách Khoa TPHCM em đã trưởng thành lên rất nhiều, tích lũy nhiều bài học kinh

nghiệm, những kỹ năng từ quý Thầy Cô giúp em có được hành trang tốt nhất để bước

tiếp trong tương lai của mình.

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy/Cô, Anh/Chị Phòng Dầu khí –

Xúc tác và Phòng Quá trình Thiết bị thuộc Viện Công Nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công Nghệ Việt Nam đặc biệt là TS. Nguyễn Trí, anh Nguyễn Điền

Trung, anh Nguyễn Phụng Anh, những nguời đã luôn dõi theo, nhắc nhở và hướng dẫn

tận tình, giúp đỡ em có thể hoàn thành tốt luận văn này.

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. TSKH. Lưu Cẩm Lộc, Quý

Thầy/Cô thuộc bộ môn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường

Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, những người đã giảng dạy, truyền đạt cho

chúng em những kiến thức hữu ích trong suốt khoảng thời gian học tại trường.

Em xin cảm ơn tất cả các anh chị, bạn bè, người thân luôn ủng hộ, tin tưởng và

động viên em trong suốt thời gian qua. Mong rằng sau này mọi người sẽ luôn bên cạnh

em trong khoảng thời gian sắp tới.

Tuy nhiên vì kiến thức có hạn nên nội dung báo cáo không tránh khỏi những

thiếu sót, em rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của quý Thầy Cô và bạn đọc để

báo cáo này được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Thị Thu Thảo

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong khuôn khổ đề tài “Tổng hợp xúc tác dị cấu trúc CoTiO3-TiO2 cho phản

ứng quang phân hủy cinnamic acid ở pha lỏng”, đầu tiên xúc tác CoTiO3 được điều

chế bằng phương pháp sol – gel tìm ra điều kiện điều chế tốt nhất như nhiệt độ nung,

thời gian nung để tổng hợp xúc tác. Ở đây, CoTiO3 được nung ở 600, 650, 700, 750 ᵒC

với thời gian nung là 1 giờ, 2 giờ và 3 giờ để nghiên cứu cấu trúc cũng như sự hình

thành pha của vật liệu. Tiếp theo sẽ sử dụng xúc tác CoTiO3 điều chế trước đó tổng

hợp CoTiO3-TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt. Các xúc tác được nghiên cứu các đặc

trưng lý – hóa như: phân tích nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DSC), thành phần pha

(XRD), phổ Raman, diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp (BET), các nhóm chức

của xúc tác (IR), hình thái bề mặt (SEM, TEM) và vùng hấp thu ánh sáng (UV-Vis).

Việc kết hợp CoTiO3 và TiO2 đã giúp giảm kích thước hạt, tăng diện tích bề mặt riêng

so với CoTiO3 được điều chế bằng phương pháp sol – gel, giảm năng lượng vùng cấm

với Eg = 3,09 eV, mở rộng bước sóng hấp thu ánh sáng từ vùng UV sang vùng khả

kiến (λ = 402 nm). Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng quang phân hủy

cinnamic acid với tác nhân oxy hóa là O2 đã xác định được điều kiện phản ứng tối ưu

(tỷ lệ phần trăm khối lượng CoTiO3 và TiO2 trong hỗn hợp xúc tác, hàm lượng xúc tác,

lưu lượng không khí, pH dung dịch ban đầu) của xúc tác CoTiO3-TiO2. Ở điệu kiện tối

ưu, xúc tác 5%CoTiO3-TiO2 có độ chuyển hóa cinnamic acid đạt trên 80% sau 90 phút

phản ứng cao hơn so với xúc tác TiO2 nguyên bản cũng như CoTiO3; có thể quy cho sự

tương tác dị thể giữa CoTiO3 và TiO2.

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu

của tôi và các kết quả này chưa được dùng cho bất cứ luận văn nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 07 năm 2020

Người thực hiện

Nguyễn Thị Thu Thảo

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN................................................................................................................i

TÓM TẮT LUẬN VĂN...............................................................................................ii

LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................iii

MỤC LỤC....................................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................viii

DANH MỤC BẢNG.....................................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................xi

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

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ....................................................................................................1

1.2. NỘI DUNG ĐỀ TÀI.........................................................................................2

1.3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.........................................................................................3

1.4. ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN LUẬN VĂN............................................................3

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN........................................................................................4

2.1. QUÁ TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO (AOP)...............................................4

2.1.1. Các quá trình tạo gốc tự do hydroxyl OH*..................................................4

2.1.2. Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao....................................................6

2.2. PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG HÓA..........................................................6

2.2.1. Phản ứng xúc tác quang dị thể.....................................................................6

2.2.2. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa............................................................7

2.3. XÚC TÁC QUANG TiO2.................................................................................9

2.3.1. Cấu trúc của TiO2........................................................................................9

2.3.2. Cơ chế xúc tác quang của TiO2..................................................................11

2.3.3. Phương pháp điều chế TiO2.......................................................................12

2.4. XÚC TÁC PEROVSKITE CoTiO3...............................................................14

iv

2.4.1. Cấu trúc của Perovskite.............................................................................14

2.4.2. Phương pháp điều chế CoTiO3..................................................................15

2.5. XÚC TÁC CoTiO3-TiO2.................................................................................17

2.6. CINNAMIC ACID..........................................................................................18

2.7. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG QUANG OXY HÓA.....19

2.7.1. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác............................................................19

2.7.2. Ảnh hưởng pH dung dịch phản ứng...........................................................20

2.7.3. Ảnh hưởng tác nhân oxy hóa.....................................................................20

a. Tác nhân oxy (O2)............................................................................................20

b. Tác nhân ozon (O3)..........................................................................................21

c. Tác nhân hydro peroxide (H2O2)......................................................................21

2.7.4. Ảnh hưởng bước sóng ánh sáng, cường độ ánh sáng.................................22

2.7.5. Ảnh hưởng độ đục của dung dịch phản ứng..............................................22

2.7.6. Ảnh hưởng kích thước hạt xúc tác.............................................................23

2.7.7. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch............................................................23

2.8. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ XÚC TÁC QUANG TiO2 VÀ CoTiO3-TiO2.......24

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM...................................................27

3.1. ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC CoTiO3......................................................................27

3.1.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất.........................................................................27

3.1.2. Điều chế xúc tác CoTiO3 bằng phương pháp sol – gel...............................27

3.2. ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC CoTiO3-TiO2.............................................................28

3.2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất.........................................................................28

3.2.2. Điều chế xúc tác CoTiO3-TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt...................29

3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TRƯNG HÓA-LÝ CỦA XÚC

TÁC........................................................................................................................30

v

3.3.1. Xác định thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)..........30

3.3.2. Xác định diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ BET.............31

3.3.3. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis DRS)........................34

3.3.4. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)................................................35

3.3.5. Hình thái bề mặt xúc tác (SEM, TEM)......................................................36

3.3.6. Xác định phổ Raman.................................................................................38

3.3.7. Xác định phổ FT - IR.................................................................................39

3.3.8. Xác định PZC............................................................................................40

3.3.9. Xác định TGA...........................................................................................41

3.4. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH CỦA XÚC TÁC TRONG PHẢN ỨNG QUANG

PHÂN HỦY CINNAMIC ACID...........................................................................42

3.4.1. Hệ thống phản ứng....................................................................................42

3.4.2. Chuẩn bị phản ứng.....................................................................................44

3.4.3. Khảo sát phản ứng quang oxy hóa.............................................................44

a. Ảnh hưởng tỷ lệ phần trăm khối lượng của CoTiO3 và TiO2...........................45

b. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác..................................................................45

c. Ảnh hưởng của lưu lượng không khí...............................................................45

d. Ảnh hưởng của pH dung dịch ban đầu............................................................46

3.4.4. Phương pháp phân tích cinnamic acid trong nước.....................................46

a. Xây dựng đường chuẩn....................................................................................46

b. Phân tích cinnamic acid trong nước.................................................................47

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................48

4.1. CÁC ĐẶC TRƯNG LÝ – HÓA CỦA CÁC XÚC TÁC...............................48

4.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X.....................................................................................48

4.1.2. Phổ FT – IR...............................................................................................51

vi

4.1.3. Phổ Raman................................................................................................53

4.1.4. Phổ UV – Vis............................................................................................56

4.1.5. Phổ TGA/DSC...........................................................................................58

4.1.6. Hình thái bề mặt xúc tác............................................................................60

a. Ảnh SEM của các xúc tác................................................................................60

b. Ảnh TEM của xúc tác 5%CoTiO3-TiO2...........................................................61

4.1.7. PZC của xúc tác 5%CoTiO3-TiO2..............................................................62

4.2. HOẠT TÍNH CỦA XÚC TÁC TiO2 VÀ CoTiO3-TiO2 TRONG PHẢN

ỨNG QUANG PHÂN HỦY CINAMIC ACID....................................................64

4.2.1. Khảo sát hoạt tính quang của xúc tác CoTiO3-TiO2 với các tỷ lệ phần trăm

thành phần khác nhau..........................................................................................64

4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 5%CoTiO3-TiO2 đến hoạt tính

quang phân hủy CA trong pha lỏng.....................................................................65

4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến hoạt tính quang phân hủy

CA trong pha lỏng...............................................................................................66

4.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hoạt tính quang phân hủy CA

trong pha lỏng......................................................................................................67

4.2.5. Tổng hợp điều kiện phản ứng tối ưu cho phản ứng quang phân hủy CA của

xúc tác 5%CoTiO3-TiO2......................................................................................69

4.2.6. Khảo sát độ bền của xúc tác 5%CoTiO3-TiO2 đối với phản ứng quang phân

hủy CA trong pha lỏng........................................................................................70

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................73

5.1. KẾT LUẬN.....................................................................................................73

5.2. KIẾN NGHỊ....................................................................................................74

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................75

vii