Nghiên cứu tổng hợp BiVO4 bằng phương pháp dung nhiệt và đánh giá khả năng quang xúc tác sử dụng ánh sáng nhìn thấy 1
tải về 258.87 Kb.
|
1 2
ppnckhpdf, BÀI BÁO VỀ CHẤT XÚC TÁC
| 2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu
BiVO4 được tổng hợp thông qua phương pháp thủy nhiệt sử dụng glycerol làm dung môi. Qui trình cụ thể như sau: 4mmol Bi(NO3)3.5H2O đươc hòa tan trong 40ml dung dịch glycerol thu được dung dịch 1. Cùng lúc đó dung dịch thứ 2 được chuẩn bị bằng cách hòa tan 4mmol NH4VO3 vào 40ml dung dịch nước nóng. Nhỏ từ từ dung dịch 2 vào dung dịch 1 và khuấy liên tục bằng máy khuấy từ để tạo thành hỗn hợp đồng nhất. Tiếp theo, độ pH dung dịch được điều chỉnh lên pH=6 bằng cách bổ sung dung dịch NH4OH và hỗn hợp được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ. Sau đó hỗn hợp được chuyển vào bình thủy nhiệt và gia nhiệt lên 180°C trong các khoảng thời gian khác nhau (t=8, 24 và 36 giờ). Cuối cùng, chất bột màu vàng thu được sau gia nhiệt được nung ở 300°C trong 3 giờ. 2.3. Phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu Cấu trúc tinh thể của vật liệu được xác nhận thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) trên máy D8 Advance Bruker sử dụng nguồn kích thích Cu Kα với tốc độ quét 0.030°/s trong vùng 2θ từ 5-80°. Hình thái tinh thể của vật liệu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM, JSM 7401F, Jeol). Tính chất hấp thu ánh sáng của vật liệu được phân tích thông qua phổ phản x khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy, UV-Vis-DRS, Shimazu UV-2450) trong vùng số sóng từ 300-900cm-1 . 2.4. Phương pháp đánh giá họat tính quang hóa Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu được đánh giá dựa trên phản ứng quang xúc tác phân hủy methylene blue (MB) trong môi trường nước dưới nguồn chiếu xạ là đèn LED (60W). Quá trình thí nghiệm cụ thể như sau: Xúc tác (100mg) được phân tán trong dung dịch methylene blue (15ppm) với nồng độ xúc tác là 1g/l và khuấy trong bóng tối 60 phút, lấy mẫu 0 phút. Sau đó chiếu đèn và mẫu được lấy ra theo các khoảng thời gian bằng nhau (30 phút). Dung dịch mẫu sau khi lấy ra được li tâm 7000 vòng/phút trong 5 phút để loại bỏ xúc tác. Nồng độ của chất màu được kiểm tra trên máy UV-vis (Evolution 60S UV-Visible Spectrophotometer). 3 Kết quả đặc trưng cấu trúc của BiVO4 Cấu trúc tinh thể của BiVO4 được xác định thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X. Khi BiVO4 được thủy nhiệt ở thời gian khác nhau, các peak nhiễu xạ trên giản đồ XRD của các mẫu đều phù hợp với pha monoclinic scheelite của BiVO4 (JCPDS no. 01-075-1867) với các peak nhiễu xạ mạnh tại góc 2θ = 28.9° cùng với các peak nhiễu xạ yếu bị phân tách tại góc 2θ = 18.5° 35° và 47°. Khi vật liệu được nung ở 300°C trong 3 giờ (tương ứng với các mẫu G-BVO-6-8- 180(300), G-BVO-6-24-180(300), G-BVO-6-36-180(300)) vẫn thu được vật liệu với cấu trúc monoclinic scheelite. Tuy nhiên, quan sát thấy có sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể của BiVO4. Các mẫu sau khi được nung ở nhiệt độ 300°C trong 3 giờ, các peak nhiễu xạ đặc trưng trong cấu trúc monoclinic xuất hiện với cường độ cao. Kết quả này chỉ ra rằng sau khi nung, vật liệu tạo thành với độ tinh thể cao. 1Hình 1 Giản đồ XRD của các mẫu BiVO4 được tổng hợp ở thời gian khác nhau: GBVO-6-8-180(a), GBVO-6-24-180(b), GBVO-6-36-180(c), GBVO-6-8-180(300) (d), GBVO-6-24-180(300) (e), GBVO-6-36-180(300) (f). Hình dạng tinh thể kích thước hạt và phân bố hạt của vật liệu được quan sát thông qua ảnh SEM. Hình dạng tinh thể của vật liệu thu được rất khác nhau khi được thủy nhiệt ở thời gian khác nhau (Hình 2(a,b,c)). Ảnh SEM cho thấy thời gian tổng hợp có ảnh hưởng lớn đến quá trình phát triển tinh thể của vật liệu. Khi thời gian tổng hợp tăng từ 8 giờ đến 36 giờ, hình dung tinh thể thay đổi từ hình cầu sang hình sao 4 cánh. Ở thời gian thủy nhiệt là 24 giờ, hình thái bề mặt vật liệu không đồng đều, biên hạt không rõ ràng và các hạt kết tụ thành đám. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu trước đây khi sử dụng dung môi hữu cơ tổng hợp BiVO4 [5]. Quá trình nung vật liệu ở 300°C trong 3 giờ không làm thay đổi đáng kể hình dung tinh thể của vật liệu (Hình 2(d,e,f)), ngoại trừ đối với vật liệu được thủy nhiệt ở 180°C trong 24 giờ - Hình 2e, mẫu GBVO-6-24-180(300). Tinh thể GBVO-6-24-180 có dạng khối có kích thước lớn sau khi được nung ở 300°C (GBVO-6-24-180(300))[6]. 2Hình 2 Ảnh SEM của các mẫu BiVO4 được tổng hợp ở thời gian khác nhau: GBVO-6-8-180(a), GBVO-6-24-180(b), GBVO-6-36-180(c), GBVO-6-8-180(300) (d), GBVO-6-24-180(300) (e), GBVO-6-36-180(300) (f). Khả năng hấp thụ ánh sáng của BiVO4 được nghiên cứu thông qua phương pháp UV-Vis pha rắn. Mẫu BiVO4 trước khi nung (G-BVO-6-24-180) cho dãy hấp thu mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến, tuy nhiên bờ hấp thu không rõ ràng. Mẫu BiVO4 sau khi nung (G-BVO-6-24-180(300)) cho thấy độ hấp thu hẹp trong vùng ánh sáng UV và bờ hấp thu nằm trong vùng ánh sáng khả kiến, do đó tính chất quang xúc tác của vật liệu sẽ được tăng cường trong vùng ánh sáng khả kiến (Hình 3A). Năng lượng vùng cấm của BVO-6-24- 180(300) (Eg) được xác định bằng đường thẳng tiếp tuyến với đồ thị của hàm Kubelka–Munk [F(R’∞ )h] 1/2 với năng lượng photon h tương ứng (Hình 3B). Giá trị năng lượng vùng cấm thu được khoảng 2.34 eV. 3Hình 3 (A) Phổ hấp thụ UV-VIS và (B) đồ thị biểu diễn (ahv)2 theo năng lượng photon (hv) của G-BVO-6-24-180(a) và G-BVO-6-24-180(300) (b). Hoạt tính quang xúc tác của các mẫu BiVO4 được thủy nhiệt ở 180°C với thời gian thủy nhiệt khác nhau được đánh giá thông qua phản ứng quang xúc tác phân hủy của methylene blue trong môi trường nước dưới ánh sáng đèn LED (LED color temperature: 6000-6500K; power: 60W; lumens flux: 4800LM). Theo kết quả đánh giá hoạt tính quang xúc tác được thể hiện trong Hình 4A, có thể thấy quá trình nung có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt tính quang xúc tác của các mẫu BiVO4 tổng hợp ở 180°C trong 8 và 24 giờ. Các mẫu được nung cho hiệu quả quang xúc tác tốt hơn so với mẫu BiVO4 không nung (ngoại trừ mẫu được thủy nhiệt ở 36 giờ). Đối với mẫu thủy nhiệt ở 8 giờ, sau khi nung hiệu quả loại bỏ MB tăng từ 42.2 lên 66.1% sau 3 giờ chiếu sáng. Ảnh hưởng của quá trình nung có thể quan sát rõ hơn ở mẫu sau 24 giờ thủy nhiệt trước khi nung khoảng 83.9% được loại bỏ thông qua hấp phụ, khả năng hấp phụ của vật liệu giảm đáng kể sau khi nung (khoảng 21.8% MB được hấp phụ sau 1 giờ khuấy trong tối) và khoảng 83.0% được loại bỏ sau 3 giờ chiếu sáng. Đối với mẫu với thời gian thủy nhiệt là 6 giờ, quá trình nung không ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính quang xúc tác của vật liệu và khoảng 68.6% MB được loại bỏ sau sau 3 giờ chiếu sáng. Sự quang xúc tác phân hủy methylene blue theo thời gian tuân theo động học bậc nhất như được xác nhận thông qua đường tuyến tính của ln(C0/Ct) theo t được biểu diễn trong Hình 4B. Hoạt tính quang xúc tác tăng theo thứ tự sau: G-BVO-6-8-180, G-BVO-6-36-180, G-BVO-6-8-180(300), G-BVO-6-36-180(300), G-BVO-6-24-180(300) với hằng số tốc độ (k) tương ứng là 2.5×10-3 phút-1 , 4.9×10-3 phút-1 , 5.3×10-3 phút-1 , 5.4×10-3 phút-1 , 7.7×10-3 phút-1 . 4Hình 4 Hiệu quả phân hủy MB trên mẫu BiVO4 được tổng hợp ở thời gian khác nhau: GBVO-6-8-180 (a), GBVO-6-24-180(b), GBVO-6-36-180(c), GBVO-6-8-180(300) (d), GBVO-6-24-180(300) (e), GBVO-6-36-180(300) (f). Hình 4C cho thấy sự thay đổi trong phổ hấp thu UV-vis của methylene blue theo thời gian chiếu sáng khi có sự hiện diện của mẫu GBVO-6-24-180(300). Khi tăng thời gian chiếu sáng, peak hấp thu cực đại của methylene blue ở bước sóng 664nm giảm dần. Ngoài ra, không có sự tăng đỉnh hấp thu trong vùng UV của methylene blue trong quá trình chiếu xạ , cho thấy phần lớn methylene blue đã bị phân hủy hoàn toàn mà không sinh ra hợp chất trung gian. 4 Kết luận Công trình nghiên cứu đã chứng minh sự thành công trong việc tổng hợp vật liệu BiVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng glycerol làm dung môi. Kết quả XRD chỉ ra rằng, vật liệu thu được với pha monoclinic scheelite. Hình dạng tinh thể của vật liệu thu được rất khác nhau khi được thủy nhiệt ở thời gian khác nhau. Khi thời gian tổng hợp tăng từ 8 giờ đến 36 giờ, hình dạng tinh thể thay đổi từ hình cầu sang hình sao 4 cánh. Ở thời gian thủy nhiệt là 24 giờ, hình thái bề mặt vật liệu không đồng đều, biên hạt không rõ ràng và các hạt kết tụ thành đám. Vật liệu được tổng hợp ở 24 giờ và nung ở 300°C cho hoạt tính quang xúc tác cao nhất, khoảng 83.0% MB được lọai bỏ sau 3 giờ chiếu sáng, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực xử lí chất màu gây ô nhiễm môi trường. Tài liệu tham khảo [1] X. Yan and X. Chen, Titanium Dioxide Nanomaterials, vol. 1352, no. October. 2012. doi: 10.1002/9781119951438.eibc2335. [2] Y. Sun, C. Wu, R. Long, Y. Cui, S. Zhang, and Y. Xie, “Electronic supplementary information multiresponses to visible light , trace gas and temperature,” no. c, pp. 1–10, 2009. [3] Z. Zhao, H. Dai, J. Deng, Y. Liu, and C. T. Au, “Effect of sulfur doping on the photocatalytic performance of BiVO4 under visible light illumination,” Chinese J. Catal., vol. 34, no. 8, pp. 1617–1626, Aug. 2013, doi: 10.1016/S1872-2067(12)60632-9. [4] W. Liu, L. Cao, G. Su, H. Liu, X. Wang, and L. Zhang, “Ultrasound assisted synthesis of monoclinic structured spindle BiVO4 particles with hollow structure and its photocatalytic property,” Ultrason. Sonochem., vol. 17, no. 4, pp. 669–674, Apr. 2010, doi: 10.1016/J.ULTSONCH.2009.12.012. [5] W. Zhao, Y. Wang, Y. Yang, J. Tang, and Y. Yang, “Carbon spheres supported visible-light-driven CuO-BiVO4 heterojunction: Preparation, characterization, and photocatalytic properties,” Appl. Catal. B Environ., vol. 115–116, pp. 90–99, Apr. 2012, doi: 10.1016/J.APCATB.2011.12.018. [6] P. Pookmanee, S. Kojinok, R. Puntharod, S. Sangsrichan, and S. Phanichphant, “Preparation and characterization of BiVO4 powder by the sol-gel method,” Ferroelectrics, vol. 456, no. 1, pp. 45–54, 2013, doi: 10.1080/00150193.2013.846197. tải về 258.87 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
1 2