Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
TỔNG HỢP LƯỠNG OXIT ZnO/CuO
VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC QUANG HÓA
1,4
2,4
3,4
Phạm Thị Thuận , Nguyễn Thị Hải Ngọc , Trần Thiên Trí ,
4
5*
Lương Văn Tri , Trần Thanh Minh
1
Trường Phổ thông Trung học Huỳnh Thúc Kháng, Quảng Ngãi
2
Trường Phổ thông Trung học Pleiku, Gia lai
3
Trường Phổ thông Trung học Nguyễn Chí Thanh, Pleiku, Gia lai
4
Trường Phổ thông Trung học Lê Lợi, Pleiku, Gia lai
4
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
*
Email: [email protected]
Ngày nhận bài: 20/02/2019; ngày hoàn thành phản biện: 02/4/2019; ngày duyệt đăng: 02/7/2019
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu n|y, chúng tôi đề xuất phương ph{p mới để tổng hợp lưỡng oxit
ZnO/CuO và ứng dụng để phân hủy xanh methylene (MB) dưới ánh sáng khả
kiến. Lưỡng oxit ZnO/CuO được tổng hợp từ vật liệu khung cơ kim (Zn/Cu-BTC)
bằng phương ph{p ph}n hủy nhiệt. Các vật liệu được đặc trưng bằng c{c phương
pháp SEM (Scanning Electron Microscopy), XRD (X-ray Powder Diffraction), BET
(Brunauer–Emmett–Teller) và UV-Vis-DRS (Ultraviolet -Visible Diffuse Reflectance
Spectroscopy). Hoạt tính xúc t{c, cơ chế xúc tác và khả năng t{i sử dụng của
ZnO/CuO đối với MB được nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy ZnO/CuO có
hình bát diện kích thước khoảng 5-10 µm và thể hiện hoạt tính xúc tác tốt đối với
MB trong vùng khả kiến cao hơn so với ZnO và CuO, và hoạt tính xúc tác hầu như
thay đổi không đ{ng kế sau vài lần tái sử dụng.
Từ khóa: ZnO/CuO, xúc tác quang hóa, xanh methylen, Zn/Cu-BTC
1. MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp như dệt may, sản xuất
giấy, phẩm màu nhuộm, thuộc da, và in ấn đã l|m gia tăng lượng thuốc nhuộm tổng
hợp thải ra môi trường. Hầu hết các thuốc nhuộm n|y có t{c động tiêu cực cho hệ sinh
thái và sức khỏe con người vì chúng có thể gây ức chế sự phát triển của thủy sinh vật
31
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
Có nhiều phương ph{p hóa lý kh{c nhau như hấp phụ, xúc tác quang hóa,
phản ứng Fenton, màng lọc, thẩm thấu và phân hủy sinh học được sử dụng để xử lý
phẩm nhuộm trong nước thải. Trong đó, phương ph{p xúc tác quang hóa dị thể được
sử dụng rộng rãi hơn cả do thể hiện được nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các
phương ph{p kh{c như: chi phí thấp, hiệu quả cao, dễ thu hồi và tái sử dụng vật liệu,
đặc biệt có thể chuyển hóa hoàn toàn chất hữu cơ độc hại thành CO
2
và H
2
2
và ZnO l| hai oxit được biết đến như các chất bán dẫn có hiệu suất quang xúc tác cao
đối với hầu hết các hợp chất hữu cơ khó ph}n hủy, tuy nhiên chúng chỉ có thể được
kích thích bằng ánh sáng tử ngoại (UV) vì có vùng cấm rộng. Do đó, việc cải thiện hoạt
tính xúc tác quang hóa của các oxit bán dẫn dưới ánh sáng khả kiến nhằm tăng khả
năng ứng dụng của chúng trong thực tế ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm của
các nhà khoa học. So với TiO , kẽm oxit (ZnO), một chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm
2
khoảng 3,37 eV, được coi là một trong những chất xúc tác quang bán dẫn quan trọng
v| được ưa dùng hơn vì có độ nhạy sáng v| độ ổn định cao, dễ tổng hợp và chi phí
tổng hợp thấp. Trong thời gian gần đ}y, một số kim loại và oxit kim loại đã được đưa
vào bên trong cấu trúc hoặc trên bề mặt của ZnO để tăng hoạt tính xúc tác của nó trong
vùng khả kiến. Chẳng hạn như Peng Li v| cộng sự đã chứng minh rằng việc gắn các
kim loại quý như Au trên bề mặt của ZnO có thể tăng cường khả năng tạo electron và
ngăn sự tái hợp của các hạt mang điện (electron và lỗ trống) dẫn đến tăng hoạt tính xúc
tác có cấu trúc vi xốp dạng thanh trên cơ sở Fe
2
O /ZnO để xử lý Rhodamine B. Kết quả
3
nghiên cứu chỉ ra rằng sự tích hợp Fe vào cấu trúc của ZnO l|m tăng đ{ng kể khả
2O3
năng xúc t{c của ZnO trong cả vùng tử ngoại và khả kiến. Có hai tính chất quan trọng
cần xem xét khi lựa chọn kim loại để pha tạp vào cấu trúc của ZnO đó l|: (i) có mức
năng lượng phù hợp để vận chuyển hiệu quả các electron ở vùng dẫn (conduction
band, CB) của ZnO đối với chất điện giải hấp phụ; ii) có độ bền hóa học cao trong phản
ứng quang xúc t{c. Đồng oxit (CuO) loại p với vùng cấm hẹp là một trong những ứng
cử viên phù hợp nhất cho mục đích pha tạp với ZnO nhằm tăng hoạt tính xúc tác. Hiện
nay, lưỡng oxit ZnO/CuO với cấu trúc phân cấp được các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu do chúng ít bị kết tụ và có nhiều t}m xúc t{c hơn so với ZnO/CuO dạng hạt
nano phân nhanh ứng dụng cho sản xuất H bằng năng lượng mặt trời trong một chất
2
micro phủ CuO hình dạng giống l{ c}y để tăng hoạt tính xúc tác phân hủy Rhodamine
B của ZnO trong ánh sáng khả kiến.
Vật liệu khung cơ kim (MOF), lần đầu tiên được công bố bởi nhà khoa học
Yaghi và cộng sự, là loại vật liệu được hình thành từ sự tự sắp xếp của các cation kim
tổng hợp từ ion Cu(II) và benzene-1,3,5-tricarboxylic acid là một trong những MOF có
32
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
trường. Trong c{c oxit đa kim loại, việc đạt được sự ph}n t{n đồng đều của từng thành
phần trong cấu trúc là một trong những vấn đề đang cần phải nghiên cứu giải quyết.
Vật liệu MOF có thể chứa các kim loại kh{c nhau được phân t{n đồng nhất trong
khung hữu cơ, do đó MOF có thể trở thành vật liệu trung gian trong việc tổng hợp oxit
đa kim loại thông qua quá trình phân hủy nhiệt. Nhờ có hiệu ứng cộng hưởng giữa các
thành phần riêng lẻ, c{c oxit đa kim loại sẽ sở hữu những đặc tính hóa lý ưu việt hơn
Trong nghiên cứu này, chúng tôi để xuất phương ph{p đơn, giản hiệu quả để
tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO cấu trúc xốp bát diện sử dụng để phân hủy MB dưới
ánh sáng khả kiến. Đầu tiên, vật liệu khung cơ kim gồm Zn, Cu và benzene-1,3,5-
tricarboxylic acid (BTC) (ký hiệu là Zn/Cu-BTC) được tổng hợp bằng phương ph{p lò
vi sóng. Sau đó, nung ở nhiệt độ cao loại bỏ thành phần hữu cơ BTC trong Zn/Cu-BTC
v| thu được lưỡng oxit ZnO/CuO xốp cấu trúc bát diện. Bên cạnh đó, c{c mẫu Zn-BTC,
Cu-BTC, ZnO và CuO cũng được tổng hợp để làm mẫu so sánh.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu và hóa chất
Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid (C
trihydrate (Cu(NO .3H O, 99,5%), zinc nitrate tetrahydrate (Zn(NO
methylene blue (C16 S,%, 82%, ký hiệu MB) được mua từ hãng Merck (Đức). Các
dung môi dimethylformamide ((CH NCHO, ký hiệu DMF), ethanol (C OH) và
OH) với độ tinh khiết 99% được mua từ hãng hóa chất HiMedia (Ấn
6H
3(COOH)
3, ≥ 95%), copper(II) nitrate
3
)
2
2
3
)
2
.4H O, 98,5%) và
2
H
18ClN
3
3)
2
2H
5
methanol (CH
3
Độ).
2.2. Tổng hợp vật liệu
Zn/Cu-BTC được tổng hợp theo quy trình cải tiến được mô tả trong nghiên cứu
(0,2289 g; 0,00095 mol) và Zn(NO .4H O (0,5757 g; 0,0022 mol) hòa tan trong 21 mL
3)
2
2O
3
)
2
2
hỗn hợp gồm ethanol: nước cất: DMF với tỷ lệ 1:1:1 (theo thể tích) và khuấy liên tục
bằng khuấy từ trong 5 phút. Hỗn hợp sau đó được chuyển vào bình tam giác dung tích
250 mL v| được xử lý vi sóng trong thiết bị vi sóng gia dụng Sharp R-203VN-M ở mức
công suất 250W. Phần chất rắn được ly tâm tách khỏi dung dịch, rửa ba lần với DMF
o
và sấy khô ở 180 C trong 8 giờ. Các mẫu Zn-BTC và Zn-BTC được tổng hợp theo các
quy trình tương tự như trên với muối kim loại tương ứng. Các tiền chất khung cơ kim
o
Zn/Cu-BTC, Zn-BTC và Cu-BTC được nung ở nhiệt độ 500 C trong 5 giờ với tốc độ gia
33
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
o
nhiệt 5 C/phút để đốt cháy hoàn toàn thành phần hữu cơ v| thu được c{c oxit tương
ứng là ZnO/CuO, ZnO và CuO.
2.3. Xác định các đặc trưng của vật liệu
Cấu trúc tinh thể của vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
(XRD) trên máy D8 Advance Bruker (Đức) dùng bức xạ đơn sắc của Cu-K ( = 1,5406
Å), tại điện thế gia tốc 40 kV, cường độ dòng diện 30 mA, khoảng quét 2θ từ 5º đến 40º
với tốc độ quét 0,02º/phút. Hình thái của các mẫu vật liệu được xác định bằng phương
pháp hiển vi điện tử quét (SEM) trên máy Hitachi S-4800 (Nhật Bản). Diện tích bề mặt
v| độ xốp của các mẫu vật liệu được xác định bằng phương pháp hấp phụ/giải hấp
phụ nitơ lỏng Brunauer - Emmett - Teller (BET) trên máy phân tích Micromeritics-
o
ASAP 2020 (Mỹ) ở nhiệt độ 77 K (-196 C) với áp suất tương đối 0,05 - 0,2. Quang phổ
phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến được chụp trên máy quang phổ UV-Vis Cary
5000 với tốc độ quét 600 nm/phút sử dụng BaSO làm mẫu tham chiếu.
4
2.4. Khảo sát đặc tính xúc tác quang hóa của vật liệu
Các thí nghiệm xúc t{c quang hóa được thực hiện trong cốc thủy tinh với 0,4 g
chất xúc tác và 500 mL dung dịch MB có nồng độ từ 5-30 mg/L, đặt dưới nguồn sáng
của đèn halogen kim loại công suất 160 W (Philips) có gắn bộ lọc cắt bước sóng ≤ 420
nm (Philips, Actinic BL 18W, = 365 nm). Trước khi chiếu sáng, hỗn hợp được khuấy
trong bóng tối trong khoảng thời gian từ 60-180 phút để đảm bảo quá trình hấp phụ
đạt cân bằng. Sau khoảng thời nhất định, hút lấy 3 mL hỗn hợp, ly tâm loại bỏ chất xúc
t{c v| x{c định nồng độ còn lại của MB bằng phương ph{p quang trắc trên máy quang
phổ UV-Vis V-630 Jasco (Mỹ) tại bước sóng 664 nm. Hiệu suất loại bỏ MB (%) được
tính theo công thức (1):
(1)
trong đó, C
o
(mg/L) và C
t
(mg/L) lần lượt là nồng độ của MB ban đầu và tại thời điểm t.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Xác định các đặc trưng của vật liệu xúc tác
Cấu trúc pha tinh thể của các mẫu vật liệu khung cơ kim Cu-BTC, Zn-BTC và
Zn/Cu-BTC khảo sát bằng phương ph{p nhiễu xạ tia X được thể hiện ở Hình 1a.
34
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
Hình 1. Giản đồ XRD (a) của các tiền chất oxit;
(b) Giản đồ XRD của các oxit ZnO, CuO và ZnO/CuO.
Từ hình có thể thấy rằng trong giản đồ XRD của mẫu Cu-BTC và Zn/Cu-BTC
xuất hiện c{c đỉnh nhiễu xạ từ các mặt mạng tinh thể đặc trưng cho MOF-199 tại (200),
(220), (311), (222), (400), (331), (420), (422), (511), (440), (600), (444), (551), (553), (751)
̅
Zn-BTC tổng hợp trong nghiên cứu này xuất hiện đỉnh nhiễu xạ có cường độ lớn ở góc
o
o
2 Theta = 10,5 và các đỉnh nhiễu xạ khác có cường nhỏ ở góc 2 Theta từ 16-42 (ở hình
o
1 chỉ biểu diễn đến 38 ), kết quả này tương tự với Zn-BTC được tổng hợp bằng phương
Sau khi nhiệt phân các hợp chất khung cơ kim Zn-BTC và Cu-BTC bị phá hủy
và chuyển thành các oxit CuO dạng đơn t| (monoclinic) và ZnO dạng lục giác
(hexagonal) tương ứng với JCPDS Card No. 48-1548 và 6-1451; còn Zn/Cu-BTC chuyển
th|nh lưỡng oxit ZnO/CuO như được trình bày ở Hình 1b. Không có pic không xác
định trong giản đồ XRD của các mẫu tổng hợp chứng tỏ sản phẩm thu được có độ tinh
khiết cao v| đã tổng hợp th|nh công lưỡng oxit ZnO/CuO. Ngoài ra, các thông số
mạng của CuO v| ZnO trong lưỡng oxit ZnO/CuO (CuO: a = 0,468448; b = 0,342113; c =
0,512524; và ZnO: a = b = 0,324860; c = 0,520410) có sự sai lệch nhỏ so với thông số
mạng của CuO (a = 0,468623; b = 0,342662; c = 0,512508) và ZnO (a = b = 0,324923; c =
0,520787) tinh khiết. Điều này chứng tỏ các oxit liên kết với nhau một phần thông qua
kết nối nội hạt. Kích thước trung bình của nano lưỡng oxit of ZnO/CuO tính theo
phương trình Scherrer tại đỉnh nhiễu xạ của mặt (101) là khoảng 30 nm.
35
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
Hình 2. Hình SEM của các mẫu: a) Cu-BTC, b) Zn-BTC, c) Zn/Cu-BTC,
d) CuO, e) ZnO, f) ZnO/CuO
Hình thái của các mẫu vật liệu trước và sau khi thiêu kết được nghiên cứu bằng
phương ph{p hiển vi điện tử quét SEM được trình bày ở Hình 2. Mẫu Cu-BTC có các
tinh thể hình bát diện mịn kích thước khoảng 10 m và thể hiện độ kết tinh khá cao
(Hình 2a). Sau khi nhiệt phân các hạt Cu-BTC đã bị phá hủy tạo thành các hạt biến
dạng có kích thước không đều nhau như quan s{t ở Hình 2d. Mẫu Zn-BTC có hình thái
rất khác so với Cu-BTC và có dạng thanh nano (nanorod) đường kính khoảng 200 nm.
Mẫu ZnO thu được sau khi nhiệt phân Zn-BTC có hình dạng sợi (nanofiber) (Hình 2b)
được hình thành từ các hạt nano có kích thước từ 30 đến 50 nm (Hình 2e). Điều đ{ng
chú ý ở đ}y l| mẫu Zn/Cu-BTC chứa các hạt hình bát diện có bề mặt thay đổi lớn so
với Cu-BTC. Có nhiều hạt kết tụ nhỏ xuất hiện trên bề mặt của các hạt bát diện (Hình
2c). Các hạt nhỏ li ti này có thể là các mầm tinh thể của Zn-BTC bắt đầu lớn lên trên bề
mặt của tinh thể Cu-BTC. Mẫu lưỡng oxit ZnO/CuO thu được từ quá trình nhiệt phân
Zn/Cu-BTC vẫn duy trì được cấu trúc bát diện với đường kính 5-10 m chứng tỏ rằng
mẫu lưỡng oxit có độ bền nhiệt cao hơn so với mẫu Cu-BTC.
Một đặc tính rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến khả năng xúc t{c của vật liệu
đó l| diện tích bề mặt riêng. Thông thường vật liệu có diện tích bề mặt lớn, hoạt tính
xúc tác sẽ cao v| ngược lại. Trong nghiên cứu này diện tích bề mặt của các vật liệu
được x{c định bằng phương ph{p hấp phụ-giải hấp phụ N
Diện tích bề mặt riêng theo phương ph{p BET đối với mẫu Cu-BTC là 1567 m /g, giá trị
2
theo phương trình BET.
2
2
khi đó mẫu Zn-BTC có diện tích bề mặt rất thấp, khoảng 5 m /g và mẫu Zn/Cu-BTC có
36
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
2
diện tích bề mặt trung bình so với hai mẫu còn lại, khoảng 844 m /g. Trong quá trình
nhiệt phân, các hạt thường có khuynh hướng kết tụ lại với nhau dẫn đến diện tích bề
mặt riêng của chúng giảm đ{ng kể. Trong trường hợp của ZnO/CuO thu được từ quá
trình nhiệt phân Zn/Cu-BTC, diện tích bề mặt giảm xuống nhiều lần so với Zn/Cu-
2
BTC, chỉ còn khoảng 33 m /g. Tuy nhiên giá trị n|y tương đối cao hơn so với ZnO (3,9
2
2
m /g) và CuO (6,7 m /g) đơn pha; v| cao hơn lưỡng oxit ZnO/CuO được tổng hợp bằng
2
Hình 3. a) Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến;
b) Biểu đồ Tauc của ZnO, CuO và ZnO/CuO
Khả năng hấp thụ ánh sáng các mẫu ZnO, CuO v| ZnO/CuO được nghiên cứu
bằng phương ph{p đo phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến tại nhiệt độ phòng
(Hình 3a). Mẫu ZnO hấp phụ tốt ánh sáng ở vùng tử ngoại với dải bước sóng trong
khoảng 350-390 nm tương ứng với năng lượng vùng cấm trong khoảng 3,5-3,2 eV, còn
CuO có dải hấp thụ rộng ở vùng khả kiến. Hai dải không rõ r|ng nhưng có thể quan
s{t được đối với mẫu ZnO/CuO được gán cho các dải hấp thụ đặc trưng của từng
thành phần ZnO v| CuO. Điều đ{ng chú ý l| trong phổ hấp thụ của nanocomposite
ZnO/CuO, dải hấp thụ của thành phần CuO dịch chuyển sang bước sóng ngắn v| được
tích hợp với dải hấp thụ của ZnO, nghĩa l| c{c mặt phân cách giữa hai chất bán dẫn
của CuO loại p và ZnO loại n tiếp xúc chặt chẽ và các mặt phân cách của chúng rất
được thể hiện ở Hình 3b. Giá trị E của mẫu ZnO, CuO v| ZnO/CuO tương ứng là 3,19
g
vùng bước sóng d|i hơn so với ZnO.
3.2. Khảo sát khả năng xúc tác của vật liệu đối với MB
3.2.1. So sánh khả năng xúc t{c của các vật liệu và sự ảnh hưởng pH
37
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
pHpzc = 7.9
2
4
6
8
10 12
pH
Hình 4. Sự phân hủy MB bởi các mẫu BTC (a) v| c{c oxit (b) dưới ánh sáng tử ngoại (UV) và
khả kiến (Vis); c) Điểm đẳng điện (hình nhỏ) và ảnh hưởng của pH đến khả năng loại bỏ MB
của ZnO/CuO (Điều kiện: V = 500 mL; m= 400 mg; nồng độ MB=10 mg/L)
Hình 4a thể hiện khả năng khử màu MB của các vật liệu khung cơ kim Zn-BTC,
Cu-BTC và Zn/Cu-BTC. Như quan s{t được ở hình, các mẫu vật liệu khung cơ kim đều
thể hiện khả năng hấp phụ cao đối với MB và quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 180
phút. Mẫu Cu-BTC có hiệu suất hấp phụ cao nhất khoảng 82%, sau đó l| Zn/Cu-BTC
khoảng 68% và Zn-BTC khoảng 21%. Thứ tự này phù hợp với các giá trị diện tích bề
mặt riêng của các mẫu vật liệu. Đối với mẫu Cu-BTC, hiệu suất loại màu MB giảm 41-
50% sau 60 phút chiếu sáng chứng tỏ Cu-BTC loại bỏ MB chủ yếu bằng cơ chế hấp phụ
chứ không phải bằng xúc tác quang hóa v| đã xảy ra quá trình giải hấp khi chiếu sáng.
Trong khi đó mẫu Zn-BTC thể hiện tính quang xúc tác cao, gần 60% MB được loại bỏ
sau 240 phút. Điều n|y có thể l| do diện tích bề mặt Zn-BTC rất thấp đã l|m giảm số
lượng c{c tâm hoạt động để hấp phụ v| ph}n hủy MB. Ngược lại, tất cả các mẫu oxit
có hiệu suất hấp phụ khá thấp chỉ khoảng 10% (Hình 4b). Điều này có thể giải thích là
do diện tích bề mặt riêng của các mẫu oxit giảm đ{ng kể và các tâm hấp phụ bị loại bỏ
nhiều trong quá trình thiêu kết các vật liệu BTC. Dưới sự chiếu sáng, một số các oxit
thể hiện tính xúc tác ở mức độ khác nhau. CuO có hoạt tính xúc tác phân hủy MB
trung bình dưới ánh sáng UV, còn ZnO thể hiện tính xúc tác tốt cả trong trong ánh
38
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
sáng tử ngoại và khả kiến, trong đó trong vùng tử ngoại hiệu suất loại bỏ MB của ZnO
tốt hơn trong vùng khả kiến. Mẫu ZnO/CuO thể hiện tính xúc tác trung bình trong ánh
sáng tử ngoại nhưng lại rất tốt trong ánh sáng khả kiến. Quá trình phân hủy MB đạt
92% sau 60 phút chiếu ánh sáng khả kiến và diễn ra hoàn toàn sau 120 phút. Hoạt tính
xúc tác trong vùng khả kiến của ZnO/CuO cao hơn hoạt tính xúc tác của ZnO và CuO,
điều này cho thấy rằng tích hợp p-CuO và n-ZnO ở kích thước nano l|m gia tăng đ{ng
kể hoạt tính xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến của vật liệu.
Như thể hiện ở Hình 4c, điểm đẳng điện (pHpzc) của mẫu ZnO/CuO được xác
của ZnO/CuO tích điện dương v| có khuynh hướng đẩy các cation MB thông qua lực
đẩy tĩnh điện. Khi pH tăng từ 2 đến 7, điện tích dương trên bề mặt giảm dần, từ đó
tăng dần hiệu quả xử lý MB. Khi pH lớn hơn 7,9 bề mặt của mẫu ZnO/CuO tích điện
}m, khi đó cation MB sẽ dễ dàng tiến đến bề mặt của chất xúc tác nhờ lực hút tĩnh điện.
Như vậy, khi pH lớn hơn pHpzc sẽ thuận lợi cho quá trình xúc tác phân hủy MB.
Phổ tử ngoại-khả kiến của dung dịch MB trong qu{ trình xúc t{c được thể hiện
ở hình Hình 5a. Dải hấp thụ tại bước sóng 292 nm đặc trưng cho vòng thơm benzen v|
dải hấp thụ tại 664 đặc trưng cho nhóm m|u kết hợp –N=N– của phân tử MB. Cường
độ của các dải hấp thụ giảm theo thời gian chiếu sáng và hoàn toàn biến mất sau 90
phút chiếu sáng. Sự mất màu của dung dịch MB có thể là do sự phá hủy của nhóm
mang màu –N=N– trong quá trình xúc tác. Chỉ số COD của dung dịch MB được kiểm
tra trong quá trình xúc t{c để chứng minh sự phân hủy MB. Có thể thấy ở Hình 5b, chỉ
số COD của dung dịch trước phản ứng là 28,2 mg/L và sau 90 phút chiếu sáng COD
giảm còn 0,13 mg/L (giảm 99,53%). Kết quả này chứng tỏ quá trình quang xúc tác phân
hủy MB của vật liệu ZnO/CuO dưới ánh sáng khả kiến đã khoáng hóa hầu như ho|n
toàn.
Hình 5. a) Phổ hấp thụ UV-Vis của dụng dịch MB tại khác thời điểm khác nhau và b) COD của
dung dịch MB trong quá trình xúc tác
(V=500 mL; Co=10 mg/L; m= 400 mg; thời gian hấp phụ = 60 phút).
39
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
3.2.2. Cơ chế xúc tác
Có hai cơ chế thường được sử dụng để giải thích cho quá trình quang xúc tác
của c{c oxit lưỡng kim ZnO/CuO ở vùng ánh sáng khả kiến. Thứ nhất, sự thay thế Cu
vào mạng ZnO dẫn đến sự hình thành các oxit hỗn hợp cùng với các dải năng lượng
trung gian Cu3d nằm giữa dải dẫn (CB) và dải hóa trị (VB) của ZnO. Ánh sáng nhìn
thấy có thể kích thích các electron từ dải VB của ZnO đến mức Cu3d hoặc từ mức Cu3d
-
+
2+
đến CB để tạo thành các cặp electron/lỗ trống (e /h ). Mặc dù bán kính ion của Zn
2+
(0,74 Å) và Cu (0,73 Å) khá giống nhau, nhưng sự hình thành các oxit hỗn hợp như
vậy là không thể vì cấu trúc tinh thể của ZnO (lục gi{c) v| CuO (đơn t|) kh{c nhau.
Thứ hai, các oxit chỉ tiếp xúc ở cấp độ nano để tạo thành các cấu trúc dị thể, cơ chế
ghép bán dẫn như vậy có thể được sử dụng để giải thích tính xúc t{c trong trường hợp
này.
+
-
ZnO/CuO + hv ZnO/CuO(h + e )
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
-
-
ZnO/CuO(e /CB) (e /CB)ZnO/CuO
*
MB + hv MB
*
-
*+
MB e + MB
*+
+
MB MB + h
Cu(h+) + MB sản phẩm phân hủy
-
•-
ZnO(e /CB) + O
2
O + ZnO
2
•-
O2
+ MB sản phẩm phân hủy
Do vị trí của dải dẫn của CuO và ZnO lần lượt là -4,07 eV và -4,35 eV (so với
eV (như được x{c định ở trên) nên vị trí biên của dải hóa trị sẽ là -6,01 eV (đối với
CuO) và -7,54 eV (đối với ZnO). Do sự hấp thụ ánh sáng mạnh của CuO trong vùng
ánh sáng khả kiến, các electron trong CuO nhận năng lượng và bị kích thích bức khỏi
-
+
vùng hóa trị di chuyển đến vùng dẫn từ đó tạo cặp e /h . Do CuO có vị trí vùng dẫn ít
}m hơn ZnO nên khi được tạo ra các electron sẽ di chuyển sang vùng dẫn của ZnO, vì
-
+
thế tr{nh được sự tái tổ hợp nhanh chóng của các cặp electron e và lỗ trống h (pt. 2,
3). Mặt khác, các phân tử MB ở trạng th{i tĩnh có mức năng lượng -5,67 eV có thể bị
*
kích thích bằng ánh sáng khả kiến và trở nên bị kích thích MB có mức năng lượng -
electron vào vùng dẫn của CuO và ZnO (pt. 5, 6). Thế của vùng hóa trị của CuO âm
+
hơn so với MB, do đó c{c lỗ trống h có thể oxy hóa MB để tạo thành các sản phẩm
phân hủy (pt. 7). Mặt khác, do vị trí biên của vùng dẫn của ZnO (-4,35 eV) }m hơn thế
o
•
tiêu chuẩn E (O
2/O2
40
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
•
phản ứng với O
2
tạo ra gốc superoxit O
2
(pt. 8). Các gốc superoxit này có thể oxy hóa
mạnh MB để tạo thành các sản phẩm phân hủy kém bền (pt. 9).
3.2.3. Khảo sát khả năng t{i sử dụng
Khả năng t{i sử dụng là một yếu tố quan trọng để đ{nh gi{ khả năng ứng dụng
trong thực tế của vật liệu xúc tác dị thể. Sau khi sử dụng, ZnO/CuO được tách khỏi
dung dịch bằng ly tâm, rửa sạch với nước và với rượu để loại bỏ MB. Sau đó, vật liệu
o
được sấy ở 120 C trong 15 giờ v| được sử dụng ở những lần xúc tác tiếp theo.
Hình 6. a) Hiệu suất phân hủy MB của ZnO/CuO qua nhiều tái sử dụng;
b) Giản đồ XRD của ZnO/CuO sau 4 vòng tái sử dụng
(V = 1000 mL, Co=10 mg/L, m= 800 mg; thời gian hấp phụ=60 phút; thời gian chiếu sáng= 80 phút).
Ở Hình 6a, ta có thể thấy hiệu suất phân hủy MB của ZnO/CuO chỉ giảm nhẹ từ
100% xuống còn 97,2% sau 3 lần tái sử dụng. Giản đồ XRD của mẫu ZnO/CuO hầu như
không thay đổi sau khi 4 lần sử dụng, chứng tỏ vật liệu có độ bền cao trong quá trình
sử dụng (Hình 6b). Như vậy có thể thấy, ZnO/CuO có sự ổn định cao về mặt cấu trúc
và hoạt tính xúc tác trong quá trình sử dụng lâu dài.
4. KẾT LUẬN
Vật liệu lưỡng oxit ZnO/CuO được tổng hợp thành công bằng phương ph{p
phân hủy nhiệt từ vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Zn/Cu-MOF-199. Lưỡng oxit
ZnO/CuO thu được có cấu trúc 3D được tạo từ các hạt bát diện và có hoạt tính xúc tác
phân hủy phẩm màu nhuộm xanh methylen trong vùng ánh sáng khả kiến cao hơn so
với đơn oxit ZnO v| CuO. Độ rộng của vùng cấm của ZnO/CuO có giá trị khoảng 2,7
eV. Các kết quả nghiên cứu cho thấy lưỡng oxit ZnO/CuO có thể sử dụng như một vật
liệu quang xúc tác triển vọng trong thực tế để xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước
thải công nghiệp nhờ có hoạt tính xúc tác cao, độ ổn định và khả năng t{i sử dụng cao.
41
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. M. M. Hassan, and C. M. Carr (2018). A critical review on recent advancements of the
removal of reactive dyes from dyehouse effluent by ion-exchange adsorbents,
Chemosphere.
[2]. M. T. Thanh, T. V. Thien, P. D. Du, N. P. Hung, and D. Q. Khieu (2018). Iron doped
zeolitic imidazolate framework (Fe-ZIF-8): synthesis and photocatalytic degradation of
RDB dye in Fe-ZIF-8, Journal of Porous Materials, Vol. 25 (3), pp. 857-869.
[3]. P. Li, Z. Wei, T. Wu, Q. Peng, and Y. Li (2011). Au− ZnO hybrid nanopyramids and their
photocatalytic properties, Journal of the American Chemical Society, Vol. 133 (15), pp. 5660-
5663.
[4]. W. Wu, S. Zhang, X. Xiao, J. Zhou, F. Ren, L. Sun, and C. Jiang (2012). Controllable
synthesis, magnetic properties, and enhanced photocatalytic activity of spindlelike
mesoporous α-Fe2O3/ZnO core–shell heterostructures, ACS applied materials & interfaces,
Vol. 4 (7), pp. 3602-3609.
[5]. A. Kargar, Y. Jing, S. J. Kim, C. T. Riley, X. Pan, and D. Wang (2013). ZnO/CuO
heterojunction branched nanowires for photoelectrochemical hydrogen generation, Acs
Nano, Vol. 7 (12), pp. 11112-11120.
[6]. B. Li, and Y. Wang (2010). Facile synthesis and photocatalytic activity of ZnO–CuO
nanocomposite, Superlattices and Microstructures, Vol. 47 (5), pp. 615–623.
[7]. O. Yaghi, and H. Li (1995). Hydrothermal synthesis of a metal-organic framework
containing large rectangular channels, Journal of the American Chemical Society, Vol. 117
(41), pp. 10401-10402.
[8]. S. S.-Y. Chui, S. M.-F. Lo, J. P. H. Charmant, A. G. Orpen, and I. D. Williams (1999). A
Chemically Functionalizable Nanoporous Material [Cu3(TMA)2(H2O)3]n, Science, Vol. 283,
pp. 1148-1150.
[9]. S. L. Ho, I. C. Yoon, C. S. Cho, and H.-J. Choi (2015). A recyclable metal-organic
framework MOF-199 catalyst in coupling and cyclization of β-bromo-α,β-unsaturated
carboxylic acids with terminal alkynes leading to alkylidenefuranones, Journal of
Organometallic Chemistry, Vol. 791, pp. 13-17.
[10]. Y. Jiang, X. Zhang, X. Dai, W. Zhang, Q. Sheng, H. Zhuo, Y. Xiao, and H. Wang (2017).
Microwave-assisted synthesis of ultrafine Au nanoparticles immobilized on MOF-199 in
high loading as efficient catalysts for a three-component coupling reaction, Nano Research,
Vol. 10 (3), pp. 876-889.
[11]. A. Banerjee, U. Singh, V. Aravindan, M. Srinivasan, and S. Ogale (2013). Synthesis of CuO
nanostructures from Cu-based metal organic framework (MOF-199) for application as
anode for Li-ion batteries, Nano Energy, Vol. 2 (6), pp. 1158-1163.
[12]. E. Ghorbani-Kalhor (2016). A metal-organic framework nanocomposite made from
functionalized magnetite nanoparticles and HKUST-1 (MOF-199) for preconcentration of
Cd (II), Pb (II), and Ni (II), Microchimica Acta, Vol. 183 (9), pp. 2639-2647.
42
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
[13]. H. D. Mai, K. Rafiq, and H. Yoo (2017). Nano Metal‐Organic Framework‐Derived
Inorganic Hybrid Nanomaterials: Synthetic Strategies and Applications, Chemistry–A
European Journal, Vol. 23 (24), pp. 5631-5651.
[14]. S. Loera-Serna, M. A. Oliver-Tolentino, M. de Lourdes López-Núñez, A. Santana-Cruz, A.
Guzmán-Vargas, R. Cabrera-Sierra, H. I. Beltrán, and J. Flores (2012). Electrochemical
behavior of [Cu3(BTC)2] metal–organic framework: The effect of the method of synthesis,
Journal of Alloys and Compounds, Vol. 540, pp. 113-120.
[15]. V. Stavila, J. Volponi, A. M. Katzenmeyer, M. C. Dixon, and M. D. Allendorf (2012).
Kinetics and mechanism of metal–organic framework thin film growth: systematic
investigation of HKUST-1 deposition on QCM electrodes, Chemical Science, Vol. 3 (5), pp.
1531-1540.
[16]. L. H. Wee, M. R. Lohe, N. Janssens, S. Kaskel, and J. A. Martens (2012). Fine tuning of the
metal–organic framework Cu3(BTC)2 HKUST-1 crystal size in the 100 nm to 5 micron
range, Journal of Materials Chemistry, Vol. 22 (27), pp. 13742-13746.
[17]. C. T. Pereira da Silva, B. N. Safadi, M. P. Moisés, J. G. Meneguin, P. A. Arroyo, S. L.
Fávaro, E. M. Girotto, E. Radovanovic, and A. W. Rinaldi (2016). Synthesis of Zn-BTC
metal organic framework assisted by a home microwave oven and their unusual
morphologies, Materials Letters, Vol. 182, pp. 231-234.
[18]. G. A. Tompsett, W. C. Conner, and K. S. Yngvesson (2006). Microwave synthesis of
nanoporous materials, Chemphyschem: a European journal of chemical physics and physical
chemistry, Vol. 7 (2), pp. 296-319.
[19]. K. Schlichte, T. Kratzke, and S. Kaskel (2004). Improved synthesis, thermal stability and
catalytic properties of the metal-organic framework compound Cu3(BTC)2, Microporous
and Mesoporous Materials, Vol. 73 (1-2), pp. 81-88.
[20]. P. Sathishkumar, R. Sweena, J. J. Wu, and S. Anandan (2011). Synthesis of CuO-ZnO
nanophotocatalyst for visible light assisted degradation of a textile dye in aqueous
solution, Chemical Engineering Journal, Vol. 171 (1), pp. 136-140.
[21]. J. Tauc (1968). Optical properties and electronic structure of amorphous Ge and Si,
Materials Research Bulletin, Vol. 3 (1), pp. 37-46.
[22]. K.-F. Lin, H.-M. Cheng, H.-C. Hsu, L.-J. Lin, and W.-F. Hsieh (2005). Band gap variation
of size-controlled ZnO quantum dots synthesized by sol–gel method, Chemical Physics
Letters, Vol. 409 (4-6), pp. 208-211.
[23]. Y. Xu, and M. A. Schoonen (2000). The absolute energy positions of conduction and
valence bands of selected semiconducting minerals, American mineralogist, Vol. 85 (3-4),
pp. 543-556.
[24]. Y. S. Chaudhary, A. Agrawal, R. Shrivastav, V. R. Satsangi, and S. Dass (2004). A study
on the photoelectrochemical properties of copper oxide thin films, International Journal of
Hydrogen Energy, Vol. 29 (2), pp. 131-134.
[25]. K. Santra, C. Sarkar, M. Mukherjee, and B. Ghosh (1992). Copper oxide thin films grown
by plasma evaporation method, Thin Solid Films, Vol. 213 (2), pp. 226-229.
43
Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa
[26]. M. V. Lopez-Ramon, F. Stoeckli, C. Moreno-Castilla, and F. Carrasco-Marin (1999). On the
characterization of acidic and basic surface sites on carbons by various techniques,
Carbon, Vol. 37 (8), pp. 1215-1221.
[27]. B. Dhale, S. Mujawar, S. Bhattar, and P. Patil (2014). Chemical properties of n-ZnO/p-CuO
heterojunctions for photovoltaic applications, Der Chemica Sinica, Vol. 5, pp. 59-64.
[28]. H. Seema, K. C. Kemp, V. Chandra, and K. S. Kim (2012). Graphene–SnO2 composites for
highly efficient photocatalytic degradation of methylene blue under sunlight,
Nanotechnology, Vol. 23 (35), pp. 355705.
[29]. T. Shen, Z.-G. Zhao, Q. Yu, and H.-J. Xu (1989). Photosensitized reduction of benzil by
heteroatom-containing anthracene dyes, Journal of Photochemistry and Photobiology A:
Chemistry, Vol. 47 (2), pp. 203-212.
[30]. M. J. Islam, D. A. Reddy, J. Choi, and T. K. Kim (2016). Surface oxygen vacancy assisted
electron transfer and shuttling for enhanced photocatalytic activity of a Z-scheme CeO2–
AgI nanocomposite, RSC Advances, Vol. 6 (23), pp. 19341-19350.
SYNTHESIS OF BIMETALLIC OXIDE ZnO/CuO COMPOSITE AND
APPLICATION FOR PHOTOCATALYST
1,4
2,4
3
Pham Thi Thuan , Nguyen Thi Hai Ngoc , Tran Thien Tri ,
4
5*
Lương Văn Tri Tran Thanh Minh
1
Huynh Thuc Khang High School, Quang Ngai
2
Pleiku High School, Pleiku, Gia lai
3
4
Nguyen Chi Thanh High School, Pleiku, Gia Lai
Nguyen Chi Thanh High School, Pleiku, Gia Lai
5
University of Sciences, Hue University
*
Email: [email protected]m
ABSTRACT
This paper presents a study on the synthesis of ZnO/CuO composite by the
thermal decomposition of metal organic framework material zinc/copper benzene-
1,3,5-tricarboxylate (Zn/Cu-BTC) and application for degradation of methylene
blue (MB) under visible light. The characterization of resulting materials was
revealed by X-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM), nitrogen
adsorption/desorption isotherms, and UV–Vis diffuse reflectance spectroscopy.
Catalytic activity, mechanism of catalysis and recyclability of ZnO/CuO for MB
44
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 14, Số 2 (2019)
were studied. It was found that the obtained ZnO/CuO composite with porous
octahedral particles around 5-10 µm exhibited excellently the visble light driven
photocatatlytic degradation surperior to monocomponent of ZnO or CuO and its
catalytic activity was almost unchanged significantly after several recyles.
Keywords: ZnO/CuO, photocatalysis, methylene blue, Zn/Cu-BTC
Phạm Thị Thuận sinh ngày 24/08/1986 tại Quảng Ngãi. Bà tốt nghiệp cử
nhân chuyên ngành Hóa học năm 2008 tai trường Đại học Quy Nhơn.
Hiện tại đang là giáo viên Hóa học tại trường THPT Huỳnh Thúc Kháng,
TP Quảng Ngãi, tỉnh Quảng Ngãi.
Lĩnh vực nghiên cứu: Hóa vô cơ
Trần Thiên Trí sinh ngày 02/11/1979 tại Bình Định. Ông tốt nghiệp Cử
nhân sư phạm chuyên ngành Hóa học năm 2001 tại Trường Đại học Quy
Nhơn. Hiện ông là Giáo viên tại Trường Trung học phổ thông Nguyễn
Chí Thanh, thành phố Pleiku, tỉnh Gia Lai.
Lĩnh vực nghiên cứu: Hóa lí thuyết và Hóa lí.
Lương Văn Tri sinh ngày 10/09/1980. Ông tốt nghiệp Cử nhân sư phạm
ngành Hóa học năm 2004 tại Trường Đại học Quy Nhơn, tốt nghiệp Thạc
sĩ chuyên ngành Hóa lý thuyết và hóa lý tại Trường Đại học Quy Nhơn.
Hiện ông là Giáo viên tại trường trung học phổ thông Lê Lợi, thành phố
Pleiku, tỉnh Gia Lai.
Lĩnh vực nghiên cứu: Hóa lý thuyết & Hóa lý
Nguyễn Thị Hải Ngọc sinh ngày 10/04/1982 tại Gia Lai. Bà tốt nghiệp Cử
nhân sư phạm ngành Hóa học năm 2004 tại Trường Đại học Quy Nhơn.
Hiện bà là Giáo viên tại trường trung học phổ thông Pleiku, thành phố
Pleiku, tỉnh Gia Lai.
Lĩnh vực nghiên cứu: Hóa lý thuyết & Hóa lý
45
16 trang
11780
Free
Bạn đang xem tài liệu "Tổng hợp lưỡng oxit ZnO/CuO và ứng dụng làm xúc tác quang hóa", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tong_hop_luong_oxit_znocuo_va_ung_dung_lam_xuc_tac_quang_hoa.pdf
