27
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------ NGÔ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MỚI NANO-COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ OXIT KIM LOẠI VÀ GRAPHEN LÀM CHẤT HẤP PHỤ XÚC TÁC ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ Mã số: 62440114 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2017

NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

------------------

NGÔ TIẾN QUYẾT

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MỚI

NANO-COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ OXIT KIM LOẠI VÀ

GRAPHEN LÀM CHẤT HẤP PHỤ XÚC TÁC ỨNG DỤNG

TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ

Mã số: 62440114

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2017

Page 2: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Vũ Anh Tuấn

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia

chấm luận tiến sĩ họp tại …………………………………………….

Vào hồi giờ ngày tháng năm 20…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

Page 3: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

1

MỞ ĐẦU

* Tính cấp thiết của luận án

Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ

đã tác động tích cực đến sự phát triển của các ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, sự tăng trưởng nhanh của các ngành công nghiệp luôn đi

kèm với những vấn đề không mong muốn, đó là sự ô nhiễm môi

trường ngày càng trầm trọng. Vì vậy, bảo vệ môi trường và xử lý môi

trường bị ô nhiễm là vấn đề hết sức cấp thiết và đặc biệt quan trọng

đối với các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam.

Phenol và các dẫn xuất của phenol có mặt trong thành phần

nước thải của các quá trình sản xuất công nghiệp như lọc dầu, hóa

dầu và công nghiệp nhựa phenolic. Ngoài ra, chúng còn có trong các

loại nước thải của các quá trình chuyển hóa than đá, luyện cốc, và

một số ngành công nghiệp hóa chất như dược phẩm, nhựa, chế tạo

phẩm màu, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các nhà máy

dược.

Có nhiều phương pháp xử lý phenol trong môi trường nước.

Trong đó, 2 phương pháp oxi hóa nâng cao (AOPs) với đặc điểm dựa

vào đặc tính của các chất oxi hóa mạnh như: hydrogen peroxide

(H2O2), Ozon (O3), xúc tác các phản ứng quang hóa, điện hoá hoặc

quang điện hoá kết hợp với hiệu ứng Fenton đã được ghi nhận có

hiệu quả cao. Ngoài ra, phương pháp này có những ưu điểm khác như

không cần năng lượng kích thích tác nhân phản ứng, dễ sử dụng, ít

độc hại. Hơn nữa việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như quá

trình Photo Fenton sử dụng ánh sáng mặt trời, có khả năng giảm chi

phí xử lý và khiến cho AOPs thu hút được nhiều sự quan tâm hơn

trong ngành công nghiệp xử lý ô nhiễm nước.

Những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu đã gắn kết các

kim loại lên bề mặt của rGO và GO vừa tận dụng được đặc điểm hấp

phụ ưu việt của chất hấp phụ, vừa tận dụng được đặc điểm ưu việt

của chất xúc tác oxi hóa. Tuy nhiên, việc tiếp tục nghiên cứu để tìm

ra các loại xúc tác cho hiệu quả cao, dễ tổng hợp, tạo ra các sản phẩm

ít độc hại hơn, độ bền cao và dễ thu hồi... vẫn là nhu cầu cấp thiết khi

áp dụng cho quá trình AOPs. Xuất phát từ những lý do trên, chúng

tôi lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật

liệu mới nano-compozit trên cơ sở oxit kim loại và graphen làm

chất hấp phụ xúc tác ứng dụng trong xử lý môi trường”.

Page 4: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

2

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Tổng hợp thành công một số hệ vật liệu nano compozit trên

cơ sở oxit sắt và oxit sắt biến tính/graphen oxit; nghiên cứu đánh giá

hoạt tính xúc tác của các hệ vật liệu tổng hợp được trong quá trình

phân hủy phenol; đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác

sau phản ứng.

Nội dung nghiên cứu của luận án:

- Tổng hợp được các vật liệu nano compozit oxit kim loại/graphen

oxit trên cơ sở Fe3O4, Fe3O4 biến tính như hệ xúc tác Fe3O4/GO; Fe-

Fe3O4/GO và CuFe2O4/GO bằng phương pháp đồng kết tủa. Áp dụng

phương pháp mới là phương pháp cấy nguyên tử để tổng hợp xúc tác

Fe/GO và Cu-Fe/GO một giai đoạn.

- Khảo sát, đánh giá và chứng minh sự tổng hợp thành công các vật

liệu trên cơ sở các đặc trưng hóa lý.

- Đánh giá khả năng quang xúc tác trong quá trình phân hủy phenol

trên các hệ vật liệu tổng hợp được.

- Phân tích và đánh giá các sản phẩm trung gian hình thành trong quá

trình phân hủy phenol trên một số hệ xúc tác có hiệu quả cao nhất.

* Những điểm mới của luận án

1. Đã tổng hợp thành công các hệ xúc tác quang nano compozit:

Fe3O4/GO, Fe-Fe3O4/GO, CuFe2O4/GO, Fe/GO, Cu-Fe/GO bằng

phương pháp đồng kết tủa và cấy nguyên tử. Trong đó Fe/GO và Cu-

Fe/GO là hai xúc tác hoàn toàn mới chưa được công trình nào công

bố

2. Các hệ xúc tác trên đều có kích thước nhỏ (nanomet) phân bố

tốt trên bề mặt GO, sự co cụm được giảm đi rõ rệt (HR – TEM,

mapping). Bằng XPS đã chứng minh được sự tồn tại của Fe ở các

trạng thái hóa trị khác nhau và đặc biệt khi có mặt Feo, Cu+ đã khử

Fe3+ về trạng thái hóa trị thấp hơn Fe2+.

3. Các hệ xúc tác đều có hoạt tính cao trong phản ứng phân hủy

phenol, đặc biệt xúc tác Cu-Fe/GO có hoạt tính cao nhất do có kích

thước hạt nhỏ, phân tán tốt, số lượng tâm hoạt động nhiều.

4. Đã chứng minh được con đường phân hủy phenol trên hệ xúc

tác mới nano compozit và xác định được sản phẩm trung gian trước

khi chuyển hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O là các axit hữu cơ mạch

ngắn C1– C3 bằng phương pháp kết hợp HPLC và sắc ký lỏng 2 lần

khối phổ LC/MS/MS.

Page 5: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

3

* Bố cục luận án

Luận án bao gồm 128 trang, 75 hình vẽ, 23 bảng biểu và 139

tài liệu tham khảo. Bố cục luận án như sau:

Mở đầu

Chương 1. Tổng quan

Chương 2. Thực nghiệm

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Kết luận

Những đóng góp mới của luận án

Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 được trình bày trong 37 trang, trong đó giới thiệu

chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như

oxit kim loại, kim loại, đa kim loại trên nền graphen và GO. Đánh giá

và phân tích được các ứng dụng của các xúc tác này trong xử lý môi

trường: xử lý chất màu; chất hữu cơ độc hại và phenol. Trong chương

1 cũng nêu ra được các phương pháp cơ bản để tổng hợp GO, xúc tác

compozit/GO và đã phân tích và lựa chọn được 2 phương pháp tổng

hợp chính mà luận án sử dụng là: phương pháp đồng kết tủa và

phương pháp "atom-planting method” tạm dịch là phương pháp cấy

nguyên tử. Ngoài ra, phenol và độc tính cũng như tại sao phải xử lý,

các phương pháp xử lý phenol cũng được đưa ra. Trong chương này

cũng tập trung trình bày về phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs),

cơ sở lý thuyết của quá trình Fenton như: quá trình Fenton đồng thể,

quá trình Fenton dị thể; quá trình Photo Fenton áp dụng để xử lý

nước thải một cách hiệu quả và giới thiệu các hệ xúc tác trong xử lý

chất hữu cơ khó phân hủy trong môi trường nước. Tổng quan tình

hình nghiên cứu và áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao để xử lý

phenol trong môi trường nước.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 được trình bày trong 19 trang bao gồm:

2.1. Hóa chất

2.2. Quy trình thực nghiệm

- Tổng hợp một số vật liệu nano compozit oxit kim loại graphen oxit

Page 6: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

4

trên cơ sở Fe3O4, Fe3O4 biến tính như hệ xúc tác Fe3O4/GO; Fe-

Fe3O4/GO và CuFe2O4/GO bằng phương pháp đồng kết tủa.

- Áp dụng phương pháp mới “cấy nguyên tử” để tổng hợp xúc tác

Fe/GO và Cu-Fe/GO.

-Nghiên cứu quá trình quang xúc tác trong phản ứng phân hủy phenol

của các xúc tác đã tổng hợp được.

- Phân tích và đánh giá các sản phẩm trung gian hình thành trong quá

trình phân hủy phenol trên một số hệ xúc tác có hiệu quả cao nhất.

2.3. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu

- Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lý hiện đại, sử dụng

các thiết bị ở Việt nam và Hàn Quốc: XRD, TEM, HR-TEM, BET,

FT-IR, XPS, SEM, thiết bị từ kế mẫu rung VMS.

2.4 Đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu

- Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong phản ứng

phân hủy phenol.

- Phương pháp phân tích sản phẩm hữu cơ: HPLC, TOC, LC/MS/MS

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 được trình bày trong 69 trang bao gồm:

3.1. Đặc trưng của các xúc tác Fe3O4/GO và Fe/Fe3O4/GO

3.1.1. Kết quả phân tích phổ

XRD

Kết quả phổ XRD (Hình 3.1)

cho thấy các pic đặc trưng cho

sự hình thành pha Fe3O4 trong

tổ hợp compozit Fe3O4/GO. Đối

với mẫu Fe-Fe3O4/GO ngoài các

pic đặc trưng cho pha Fe3O4 còn

tồn tại các pic đặc trưng cho sự

hình thành Fe trong vật liệu.

Kích thước tinh thể Fe3O4 tính

theo sherre là 12 nm.

Goc 2

10 20 30 40 50 60 70

Cuo

ng d

o (

tuy c

ho

n)

M MM

MM* *M M

111

220

311

400

422

511

440

M: Fe3O4

*: Feo

Fe3O4/GO

Fe/Fe3O4/GO

Hình 3.1. Giản đồ XRD của vật

liệu Fe3O4/GO và Fe-Fe3O4/GO

Page 7: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

5

3.1.2. Kết quả phân tích ảnh TEM

Hình 3.2. Ảnh TEM của Fe3O4/GO (a) va Fe-Fe3O4/GO (b)

Ảnh TEM cho thấy kích thước hạt

Fe3O4 là từ 12-18 nm. Kích thước Fe

là từ 5 – 10 nm.

3.1.3. Kết quả phân tích phổ FT-IR

Phổ FT-IR cho thấy khi đưa Fe3O4

lên GO, xuất hiện pic 578,2 cm-1 đặc

trưng cho liên kế Fe-O trong Fe3O4,

Fe/Fe3O4 với GO. Các pic trong

khoảng 1230 cm-1 và 1576 cm-1 đặc

trưng cho liên kết C=O và C-O. Pic

nằm trong khoảng 2342 cm-1 đặc

trưng cho các liên kết CO2 với

Fe3O4/GO và Fe-Fe3O4/GO. Phổ FT-

IR trên Hình 3.3 còn cho thấy sự hình thành của Feo lên trên vật liệu

Fe3O4/GO với pic đặc trưng 1048,5 cm-1

3.1.4. Kết quả phân tích EDX

Bảng 3.1. Thanh phần khối lượng va thanh phần nguyên tử các

nguyên tố trong Fe3O4/GO và Fe-Fe3O4/GO

Nguyên

tố Fe3O4/GO Fe-Fe3O4/GO

% Khối

lượng

% Nguyên

tử

% Khối

lượng

% Nguyên

tử

C 21,38 50,18 14,48 36,87

O 13,33 21,17 11,94 22,83

Fe 65,29 28,65 73,58 40,30

Hình 3.3. Phổ FT-IR của

FeFe3O4/GO và Fe3O4/GO

Page 8: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

6

Tổng 100 100 100 100

Kết quả EDX cho thấy hàm lượng Fe đưa vào sát với tính toán.

Lượng Feo chiếm 9% về khối lượng.

3.1.5. Kết quả phân tích quang phổ XPS

Kết quả phổ XPS cho thấy:

- Sự tồn tại của cacbon, oxy và sắt thông qua các pic đặc trưng

285 eV, 530 eV và 711 eV.

- Sự tồn tại pha Fe3O4/GO không lẫn tạp chất thông qua pic đặc

trưng 711 eV, 715 eV và 725 eV. Trong vật liệu Fe/Fe3O4/GO ngoài

các pic đặc trưng của Fe3O4 còn xuất hiện pic đặc trưng Feo tại 705

eV. Sự hình thành thêm các pic 720 eV được cho là do sự tương tác

giữa Feo và Fe3O4/GO tạo thành pha Fe2O3, FeOOH

- Trong vật liệu nền GO còn được thể hiện rõ trên pic 291,5 eV đặc

trưng cho các liên kết π-π*

của cacbon trong vòng thơm.

3.1.6. Kết quả phân tính

chất từ tính của vật liệu

Từ độ bão hòa của mẫu

Fe3O4/GO và Fe/Fe3O4/GO

có giá trị tương ứng bằng 38

emu/g và 26 emu/g nên

được thu hồi dễ dàng khi sử

dụng từ trường ngoài là nam

châm.

3.2. Đặc trưng vật liệu xúc tác Fe/GO và Cu-Fe/GO

3.2.1. Kết quả phân tích

giản đồ XRD

Kết quả XRD cho thấy

xuất hiện các pic đặc trưng

cho sự tồn tại pha Fe2O3

trong vật liệu. Tuy nhiên, pic

đặc trưng cho cấu trúc của

GO ở giá trị 2θ = 11 o không

thấy xuất hiện. Nguyên nhân

là do sự hình thành các hạt

Hình 3.4. Đường cong từ hóa của

Fe-Fe3O4/GO và Fe3O4/GO

Tu truong (Oe)

-10000 -5000 0 5000 10000

Luc

kha

ng tu

(em

u/g)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Fe3O4/GO

Fe/Fe3O4/GO

Goc 2 Theta

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Cuo

ng d

o (

a.u) GO

Fe/GO

* * *

** * *

*

*

*

**

*

Cu/Fe/GO

Hình 3.5. Giản đồ XRD của GO,

Cu-Fe/GO và Fe/GO

Page 9: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

7

nano Fe2O3 trên bề mặt lớp GO chèn giữa các lớp của GO gây biến

dạng nên không xuất hiện pic ở 11o (tương ứng khoảng cách các lớp

d=0,71nm). Ngoài ra không phát hiện các pha của Cu trong vật liệu.

Lý do là do hàm lượng Cu đưa vào nhỏ hơn giới hạn phát hiện XRD

(≥5%).

3.2.2. Kết quả phân tích phổ FT-IR

Kết quả FT-IR cho thấy

sự hình thành có sự tồn tại

của nhóm cacbonyl – C=O

(trong khoảng 1500 – 1730

cm-1). Các pic nằm trong

khoảng 1200 – 1250 cm-1 đặc

trưng cho sự tồn tại của liên

kết C–O . Các pic ở khoảng

2925 cm-1, 2850 cm-1đặc

trưng cho sự tồn tại của liên

kết –CH2–. Các pic ở khoảng

630 cm-1, 570 cm-1, 480 cm-1

đặc trưng cho sự hình thành

Fe2O3– GO và Fe – GO. Như

vậy trong thành phần của Fe/GO có chứa một phần pha Feo và FexOy.

Quan sát phổ FT-IR của Cu-Fe/GO còn xuất hiện các pic với cường

độ thấp ở khoảng 506 cm-1 và 430 cm-1 đặc trưng cho sự tồn tại của

Cu2O, Cu và CuO trong cấu trúc vật liệu.

3.2.3. Kết quả phân tích ảnh SEM, TEM và ảnh Maping

Kết quả cho thấy kích thước hạt oxit sắt nhỏ <10 nm. Fe và Cu

được phân bố đều trên bề mặt GO.

Buoc song (nm)

5001000150020002500300035004000

Cuo

ng d

o (

a.u)

GO

Fe/GO

-OH -CH2 CO2

C=O C-OFe

3+ O

2-

Cu

O

Cu

2O

Cu/Fe/GO

Hình 3.6. Phổ FTIR của GO,

Cu-Fe/GO và Fe/GO

Page 10: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

8

Hình 3.7. Ảnh SEM, TEM và Maping của Cu-Fe/GO

3.2.4. Kết quả phân tích EDX

Phổ EDX của Fe/GO cho thấy hàm lượng sắt tồn tại trong vật liệu

chiếm 17,87 – 19,43% về khối lượng và khoảng 5% về số nguyên tử.

Trong khi đó hàm lượng Cu chỉ chiếm 1,84% đối với mẫu Cu-

Fe/GO. Hàm lượng các nguyên tử khá sát với tính toán ban đầu theo

tỷ lệ (2%/18%/20% khối lượng).

Nguyên

tố

Cu/Fe/GO

%Khối lượng %Nguyên tử

C 48,79 63,70

O 31,50 30,84

Fe 17,87 4,99

Cu 1,84 0,47

Hình 3.8. Phổ EDX của Fe/GO và Cu-Fe/GO

3.2.5. Kết quả phân tích quang phổ XPS

Page 11: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

9

Buoc song (eV)

0 200 400 600 800 1000 1200

Cuo

ng d

o (

a.u

)

C1s

O1s

Fe2p

Cu2p3/2

Cu/Fe/GO

Fe/GO

10,9

11

11,1

11,2

11,3

11,4

11,5

11,6

925 930 935 940 945 950 955 960 965 970

CP

S (

x1

03)

Binding energy (eV)

Cu 2p3/2 (Cu2+)

Cu 2p3/2 (Cu+)

Satellites

7

8

9

10

11

12

13

14

15

700 710 720 730 740 750 760

CP

S (

x1

03 )

Binding energy (eV)

Fe 2p3/2

Fe 2p1/2Satellites

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

11

690 700 710 720 730 740 750 760

CP

S (

x1

03)

Binding energy (eV)

Fe 2p3/2

Fe 2p1/2Satellites

Hình 3.9. Quang phổ XPS của Fe/GO va Cu-Fe/GO

Kết quả phổ XPS cho thấy:

- Sự tồn tại của cacbon, oxy và sắt thông qua các pic đặc trưng

285 eV, 530 eV và 711 eV.

- Sự tồn tại pha sạch của Fe2O3 thông qua pic đặc trưng 710 eV,

724 eV và 743 eV. Trong vật liệu Cu-Fe/GO ngoài các pic đặc trưng

của Fe2O3 còn xuất hiện pic đặc trưng FeO tại 715 eV và 730 eV. Đỉnh pic tại mức năng lượng 934 eV được gán cho sự xuất hiện của

Cu2O. Sự hình thành thêm các pic 730 eV được cho là do sự tương

tác giữa Cu và Fe với GO.

- Pic 291,5 eV đặc trưng cho các liên kết π-π* của cacbon – cacbon

trong cấu trúc của GO.

3.3. Đặc trưng vật liệu xúc tác CuFe2O4/GO

Page 12: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

10

3.3.1. Kết quả phân tích giản

đồ XRD

Kết quả XRD cho thấy

CuFe2O4 lên GO đã làm biến

mất pic ở 2θ=11o đặc trưng

cho cấu trúc lớp của GO biến

dạng và thay vào đó là sự xuất

hiện của các pic cường độ cao

với giá trị 2θ tương ứng là:

30,1° (220), 35,6° (311),

38,7° (320), 42,9o (400), 53,1°

(422), 56,3° (511), 57,6o

(511) và 62,8° (440) ứng với

các píc đăch trưng cho cấu

trúc spinel CuFe2O4.

3.3.2. Kết quả phân tích phổ FT-IR

Từ phổ FT-IR cho thấy sự

tồn tại của nhóm cacbonyl –

C=O với đỉnh pic trong

khoảng 1500 – 1730 cm-1 và

nhóm C–O (pic ở 1200 –

1250cm-1) trong cấu trúc của

GO. Quá trình đưa

CuFe2O4lên trên GO làm xuất

hiện của các đỉnh pic ở 473

cm-1 và 530 cm-1 đặc trưng

cho liên kết CuFe2O4 với GO.

3.3.3. Kết quả phân tích EDX và ảnh TEM

Hình 3.10. Giản đồ XRD của

CuFe2O4/GO

Goc 2

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Cuo

ng d

o (

a.u)

100

200

300

400

500

CuFe2O4/GO

Hình 3.11. Phổ FTIR của

CuFe2O4/GO

Page 13: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

11

Hình 3.12. Ảnh TEM va phổ EDX của CuFe2O4

Kích thước hạt CuFe2O4 < 20 nm. Hàm lượng chiếm 65% về khối

lượng trong vật liệu và ít hơn so với tính toán (70%).

3.3.4. Kết quả phân tích quang phổ XPS

Kết quả chụp phổ XPS cho thấy:

- Sự tồn tại của cacbon, oxy, sắt và đồng thông qua các pic đặc

trưng 285 eV, 530 eV, 711 eV và 935 eV.

- Sự tồn tại sạch pha của CuFe2O4 thông qua pic đặc trưng 935eV

và 942eV.

3.3.5. Kết quả phân tích

tính chất từ tính

Từ độ bão hòa của mẫu

Fe3O4-GOVS và Fe-Fe3O4-

GOVS có giá trị tương ứng

bằng 38 emu/g và 26 emu/g

và có thể được thu hồi dễ

dàng khi sử dụng từ trường

ngoài là nam châm.

3.3.6. Kết quả đo BET của

các xúc tác tổng hợp được Tu truong (Oe)

-10000 -5000 0 5000 10000

Luc k

ha

ng

tu (

em

g/u

)

-30

-20

-10

0

10

20

30

Hình 3.13. Đường cong từ trễ của

vật liệu CuFe2O4/GO

Page 14: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

12

Bảng 3.2. Kết quả đo BET của các xúc tác tổng hợp được

Thông số GO

Fe3O4/G

O

(Mẫu1)

Fe/Fe3O4/

GO

(Mẫu 2)

CuFe2O4/

GO

(Mẫu 3)

Fe/GO

(Mẫu4)

Cu-

Fe/GO

(Mẫu5)

Diện tích

bề mặt

(m2/g)

331 173 177 183,23 161 130

Thể tích

vi mao

quản

(cm3/g)

0,0015 0,003 0,004 0,004 0,0075 0,0034

Tổng thể

tích mao

quản

(cm3/g)

1,7190 0,5000 0,5300 0,5240 0,6500 0,4100

Đường

kính mao

quản

(nm)

7,8-

20,5

8,8 –

11,5

8,9–

11,8

8 –

12

8,3-

23

8,6-

26,6

Đường hấp phụ-khử hấp phụ N2 của GO và cả 5 mẫu xúc tác đều

xuất hiện vòng trễ dạng IV đặc trưng cho sự có mặt của loại mao

quản trung bình. Diện tích bề mặt (BET) giảm so với mẫu GO là do

kim loại phân tán lên GO. Đường kính mao quản mẫu Fe3O4/GO, Fe-

Fe3O4/GO, CuFe2O4/GO giảm và mẫu Fe/GO, Cu-Fe/GO tăng là do

sự khác nhau giữa 2 phương pháp tổng hợp. Kích thước lỗ xốp nằm

trong khoảng từ 8 - 26 nm.

3.4. Đánh giá hoạt tính xúc tác của Fe-Fe3O4/GO

Page 15: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

13

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Hàm

ợn

g c

hất

hữ

u c

ơ c

òn

lại

(%)

Thời gian phản ứng (phút)

pH= 8

pH=7

pH=3

pH =5

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

H2O2 68 mg/L

H2O2 204 mg/L

H202 136 mg/L

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Hàm

ợn

g c

hất

hữ

u c

ơ c

òn

lại(

%)

Thời gian phản ứng (phút)

200 mg/L

150 mg/L

100 mg/L

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng( phút)

Phenol- Irradiation

Adsorption

Fenton reaction

Photo-Fenton reaction

Hình 3.14. Các điều kiện ảnh hưởng va hoạt tính của xúc tác Fe-

Fe3O4/GO trong quá trình phân hủy phenol

Trong phản ứng Photo Fenton trên hệ xúc tác Fe-Fe3O4/GO, pH

và H2O2 là tác nhân chính kiểm soát hiệu suất của quá trình. pH >5

sinh ra FeO2+ làm giảm hoạt tính xúc tác. Tuy nhiên đối với pH =3 ít

sản phẩm trung gian hơn so với pH =5. Đối với H2O2 khi nồng độ

H2O2 trong dung dịch quá cao hoặc quá thấp sẽ làm giảm gốc tự do *OH xảy ra theo phương trình: H2O2 + OH →HO2 + H2O và HO2 + OH → O2 + H2O. Điều kiện tối ưu được chọn là pH =3, [H2O2]

=136mg/L; [phenol] =100 mg/L. Trong điều kiện đó cho thấy phenol

rất bền trong môi trường nước. Khả năng hấp phụ của xúc tác Fe-

Fe3O4/GO đạt 40%, khi sử dụng quá trình Fenton và Photo Fenton

hiệu quả tăng mạnh ~90%

3.5. Hoạt tính xúc tác của CuFe2O4/GO

Page 16: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

14

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 3 4 5 6 7 8

Hiệ

u s

uấ

t p

n h

ủy

(%)

pH

CuFe2O4/GO

Fe3O4/GO

70,674,7

90,1 89,9 90,2 90,4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,05 0,07 0,1 0,15 0,2 0,3

Hiệ

u s

uấ

t p

n h

ủy

(%

)

Hàm lượng xúc tác (g/L)

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

Fe3O4/GO Photo-Fenton reaction

CuFe2O4/GO Fenton reaction

CuFe2O4/GO Photo-Fenton reaction

Hình 3.15. Các điều kiện ảnh hưởng va hoạt tính của xúc tác

CuFe2O4/GO trong quá trình phân hủy phenol

Trong phản ứng photofenton trên hệ xúc tác CuFe2O4/GO, pH ảnh

hưởng đến hiệu quả của phản ứng. Với CuFe2O4/GO pH ít ảnh hưởng

hơn so với Fe3O4/GO. pH tối ưu được chọn là 3 và hàm lượng xúc tác

là 0,1g/L, nồng độ phenol sử dụng là 100 mg/L thời gian phản ứng 60

phút. Trong điều kiện đó cho thấy xúc tác CuFe2O4/GO hiệu quả hơn

Fe3O4/GO, so với fenton, photofenton có hiệu quả hơn khi sản sinh ra

nhiều gốc OH, giải thích về điều này, Sakthivel Thangavel và cộng

sự [130] đã cho rằng: dưới tác dụng của ánh sáng, ngoài phản ứng

Fenton còn xảy ra các quá trình khác như sau:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH + OH- (1)

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO + H+ (2)

GO + → GO (h+ + e-) (3)

Page 17: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

15

GO(e-) + Fe3+ → Fe2+ + GO (4)

GO(h+) + Fe3+ → Fe4+ + GO (5)

Fe4+ + OH- → Fe3+ + OH (6)

Do đó gốc tự do OH được tăng cường thông qua phương trình 6.

3.6. Hoạt tính xúc tác của Fe/GO và Cu-Fe/GO

Trong phản ứng Photo Fenton trên hệ xúc tác Fe/GO và Cu-

Fe/GO, pH là tác nhân chính kiểm soát hiệu suất của quá trình. pH >5

sinh ra FeO2+ làm giảm hoạt tính xúc tác. Khi pH > 6 quá trình phân

hủy phenol trên hệ xúc tác Cu-Fe/GO giảm mạnh hơn so với xúc tác

Fe/GO. Nguyên nhân là do khi pH > 6, các ion Cu2+ tạo thành các

tâm thụ động khác như Cu(OH)+, Cu2(OH)22+, Cu3(OH)4

2+ làm giảm

hoạt tính của hệ xúc tác. Điều kiện tối ưu chọn là pH =3, [H2O2]

=136mg/L; [phenol] =100 mg/L thời gian phản ứng 30 phút. Khả

năng hấp phụ của hai xúc tác này kém hơn so với Fe-Fe3O4/GO là do

diện tích bề mặt của Fe-Fe3O4/GO (177 m2/g) đều lớn hơn 2 xúc tác

Fe/GO và Cu-Fe/GO. Tuy nhiên thời gian đạt trạng thái cân bằng

nhanh hơn là do đường kính mao quản của Fe/GO và Cu-Fe/GO (8 –

26nm) lớn hơn so Fe-Fe3O4/GO (8 – 12nm) do đó thúc đẩy nhanh

quá trình khuếch tán của phenol vào trong vật liệu. Khi chiếu sáng

quá trình phân hủy tăng mạnh, sau 10 phúthiệu suất phân hủy phenol

đạt 89,4% đối với Fe/GO và 93,4% đối với Cu-Fe/GO. Giải thích

điều này là do đối với Fe/GO các oxit sắt được mang lên GO hình

thành nên các hạt nano phân tán đều có kích thước nhỏ 5 – 10 nm là

các tâm hoạt động mạnh trong phản ứng Photo Fenton. Trong khi đó

với hệ xúc tác Cu-Fe/GO ngoài sự hiện diện của các tâm Fe2O3, FeO

còn có sự xuất hiện của Cu2O, CuO và Cu cũng là tác nhân mạnh

cung cấp các electon làm đẩy nhanh và mạnh hơn quá trình oxy hóa

Fe3+ thành Fe2+, làm tăng tốc độ sinh ra các gốc OH. Chất nền GO

đóng góp vai trò lớn trong quá trình phản ứng Photo Fenton, các oxit

sắt có năng lượng vùng cấm nhỏ (2,2 - 2,5 eV) nhưng sự tái tổ hợp

giữa electron và lỗ trống diễn ra nhanh, chất mang GO có khả năng

vận chuyển điện tử nhanh chóng nên đã hạn chế quá trình này.

Page 18: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

16

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 3 4 5 6 7 8

Hiệ

u su

ất

ph

ân

hủ

y (%

)

Giá trị pH dung dịch phản ứng

Cu/Fe/GO

Fe/GO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

75 mg/L

100 mg/L

150 mg/L

200 mg/L

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30Hà

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

Fe/GO - Hấp phụ

Cu/Fe/GO - Hấp phụ

Fe/GO Photo Fenton

Cu/Fe/GO Photo Fenton

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i

(%)

Thời gian phản ứng (phút)

Phenol /Chiếu sáng UV-A

Cu/Fe/GO - Phản ứng Fenton

Cu/Fe/GO - Photo Fenton

92,5

9,7

89,51

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Phenol 100 mg/L Sau phản ứng 30 phút Độ chọn lọc

TO

C

Hình 3.16. Các điều kiện ảnh hưởng va hoạt tính của xúc tác Fe/GO

và Cu-Fe/GO, độ chọn lọc phản ứng trong quá trình phân hủy phenol

3.6.1. So sánh quá trình Fenton và Photo Fenton trên hệ xúc tác

Cu-Fe/GO

Nhận thấy với phản ứng Photo Fenton sản phẩm của phản ứng có

thời gian lưu thấp hơn, đối với phản ứng fenton sản phẩm sau cũng

cho thời gian lưu cao hơn. Như vậy có thể thấy nếu thời gian lưu

càng lâu thì hợp chất hữu cơ có mạch càng nhiều cacbon. Do đó với

phản ứng Photo Fenton sử dụng xúc tác Cu-Fe/GO cho hiệu quả phân

hủy phenol thành các sản phẩm cồng kềnh hơn so với quá trình sử

dụng phản ứng Photo Fenton.

Page 19: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

17

Hình 3.17. Kết quả HPLC của quá trình phân hủy phenol trên hệ xúc

tác Cu-Fe/GO trong điều kiện Fenton và Photo Fenton

3.7. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các vật liệu

3.7.1. Đánh giá hiệu quả phân hủy phenol của các hệ xúc tác

Bảng 3.3. Các điều kiện tối ưu cho phản ứng Photo Fenton

Điều

kiện

Phản

ứng

Nồng

độ

phenol

(mg/L)

Nồng

độ

xúc tác

(mg/L)

pH Nhiệt

độ

(oC)

Thời

gian

phản

ứng

Nồng độ

H2O2

(mg/L)

100 100 3 30 30-60 136

Page 20: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

18

Kết quả cho thấy cả

5 xúc tác đều có khả

năng phân hủy phenol.

Hoạt tính giảm theo

chiều Cu-Fe/GO >

Fe/GO >

CuFe2O4/GO~Fe/Fe3O4

/GO > Fe3O4/GO. Tốc

độ phản ứng và hiệu

suất phản ứng tăng đối

với các mẫu biến tính,

đặc biệt là với mẫu xúc

tác Fe/GO và Cu-

Fe/GO tổng hợp bằng

phương pháp cấy

nguyên tử.

3.7.2. Đánh giá vai trò của các tác nhân tham gia phản ứng

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

a-Phenol (anh sang)

b-H2O2 bóng tối

c-H2O2 (anh sang)

d-Hấp phụ ( tối)

e-Hấp phụ (ánh sáng)

f-Fenton (bong toi)

g-Photo fenton (anh sang)

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

m l

ượ

ng

ch

ất

hữ

u c

ơ c

òn

lạ

i

(%)

Thời gian phản ứng (phút)

Hấp phụ lần 1

Hấp phụ lần 2

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hàm

ợn

g c

hấ

t h

ữu

còn

lại

(%)

Thời gian phản ứng (phút)

CuFe2O4/GO Photo fenton

GO-photofenton

GO-Hap phụ

Hình 3.19. Quá trình phân hủy phenol trên hệ xúc tác CuFe2O4 và

chất nền GO trong các điều kiện phản ứng khác nhau

Hình 3.18. Quá trình phân hủy phenol

trên các hệ xúc tác khác nhau

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

m lư

ợn

g c

hấ

t h

ữu

n lạ

i (%

)

Thời gian phản ứng (phút)

Fe/Fe3O4/GO

Fe3O4/GO

CuFe2O4/GO

Fe/GO

Cu/Fe/GO

Page 21: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

19

Phenol (as) ko phân hủy; H2O2 bóng tối (hầu như ko); H2O2 as (ko

đáng kể); hấp phụ tối và sang như nhau (còn khoảng 63% sau 25p);

Fenton hiệu quả tốt; Photo Fenton cho hiệu quả lớn nhất.

Kết quả thử nghiêm trên 1 hệ xúc tác CuFe2O4/GO cho thấy sự

đóng góp rất ít của hấp phụ

Hiệu quả xử lý phenol chủ yếu là do hoạt tính xúc tác trong phản

ứng Fenton và Photo Fenton

Sử dụng Photo Fenton cho hiệu quả cao hơn Fenton do sự tăng

của gốc tự do OH

GO đóng vai trò là chất hấp phụ và cũng là chất xúc tác trong

phản ứng Photo Fenton vì trên bề mặt có tồn tại các nhóm chức axit

khi kết hợp với H2O2 cũng sinh ra gốc tự do OH. Tuy nhiên tính chất

xúc tác của GO không đáng kể do tốc độ sinh gốc tự do chậm.

3.8. Độ bền xúc tác

Tiến hành nghiên cứu độ bền

của xúc tác với mẫu xúc tác Fe-

Fe3O4, chúng tôi thu được kết

quả trên Hình 3.20.

Xúc tác sau phản ứng được

thu hổi bằng nam châm, rửa

bằng methanol và etanol, sau đó

sấy chân không ở 60oC trong

12h. Xúc tác được cân lại và

đem tiến hành thí nghiệm lần

tiếp theo mà không cần hoạt hóa

lại.

Độ hao hụt xúc tác là không đáng kể (3-5%). Sau 3 lần sử dụng

hiệu quả giảm rất ít: lần 1 là 89,3% và lần 3 là 83,2%.

Để đánh giá khả năng ổn định của xúc tác Cu-Fe/GO, chúng tôi đã

khảo sát bằng phép đo lượng Cu, Fe hòa tan trong dung dịch phenol

(xác định bằng phương pháp AAS). Sau thời gian phản ứng 10, 20 và

30 phút, lượng Fe hòa tan xác định được là 0,1, 0,3 và 0,5 ppm trong

khi đó hàm lượng Cu là dạng vết không phát hiện được. Điều này chỉ

ra rằng, sự trôi rửa Cu và Fe từ vật liệu Cu-Fe/GO trong quá trình

phân hủy phenol là không đáng kể.

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

Hiệ

u q

uả p

hân

hủ

y (

%)

Thời gian phản ứng (phút)

1st run 2nd run 3rd run

Hình 3.20. Độ chuyển hóa

phenol qua các lần tái sinh

Page 22: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

20

3.9. Dãy chuyển hóa trong phân hủy phenol

3.9.1. Dãy chuyển hóa của phenol trên xúc tác Cu-Fe/GO

Đối với xúc tác Cu-Fe/GO quá trình phân hủy phenol diễn ra

mạnh đầu tiên là quá trình bẻ vòng benzen tạo thành C6H6O4 (axit

muconic); tiếp theo là quá trình cắt mạch cacbon tạo thành C4H4O4

(axit maleic); cuối cùng là quá trình cắt mạch sâu tạo thành C2H4O2

(axit axetic). Lượng chất trung gian theo phân tích HPLC cho thấy

còn tồn tại hàm lượng ít trong dung dịch sau phản ứng. Như vậy từ

HPLC và LC/MS/MS cho thấy quá trình phân hủy phenol trên xúc

tác Cu-Fe/GO có hiệu suất cao sản phẩm phân hủy tạo ra khí CO2 và

H2O, chỉ còn một phần ít hợp chất C2H4O2 (acetic acid) ít độc hại với

môi trường hơn so với phenol ban đầu

Hình 3.21. Giản đồ LC/MS/MS trong phản ứng Photo Fenton phân

hủy phenol trên hệ xúc tác Cu-Fe/GO

Page 23: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

21

3.9.2. Dãy chuyển hóa của phenol trên xúc tác Fe/Fe3O4/GO

Hình 3.22. Giản đồ LC/MS/MS trong phản ứng Photo Fenton phân

hủy phenol trên hệ xúc tác Fe/Fe3O4/GO

Hình 3.22 cho thấy rằng, quá trình sử dụng Fe-Fe3O4/GO phân

hủy phenol cũng diễn ra quá trình bẻ vòng và cắt mạch cacbon để tạo

thành các hợp chất hữu cơ có mạch ngắn hơn. Tuy nhiên sản phẩm

sau 90 phút phân hủy chỉ cắt mạch về đến axit oxalic (C2H2O4). Kết

quả này một lần nữa khẳng định xúc tác Cu-Fe/GO có hoạt tính

mạnh hơn nhiều so với xúc tác Fe-Fe3O4/GO trong điều kiện thực

nghiệm đã đề cập trong luận án. Hoạt tính xúc tác cao của mẫu Cu-

Fe/GO có thể được lý giải là do sự hình thành các nano cluster oxit

CuFeOx có kích thước hạt nhỏ (cỡ 5 – 10 nm), diện tích bề mặt lớn,

phân bố hạt đồng đều, không bị co cụm và đặc biệt là khi pha tạp bởi

Cu+. Do vậy làm tăng sự tạo thành OH là tác nhân chính quyết định

hoạt tính xúc tác của phản ứng Fenton. Thật vậy, sau 10 phút phản

ứng, hiệu suất loại bỏ phenol đã đạt khoảng 90% và sau 60 phút phản

ứng đạt khoảng 98%.

3.10. So sánh hoạt tính xúc tác trong phản ứng phân hủy

phenol của Cu-Fe/GO với xúc tác trong các công trình khác

STT Xúc tác Điều kiện phản ứng Hiệu suất

phân hủy

phenol

(%)

TLTK

1 Fe-ZSM-5 Xúc tác 0,35 g/L; 3h,

70oC, pH =2,5,

[phenol]= 0,069 mol

77 % L.F. Liotta et

al. / Journal

of Hazardous

Page 24: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

22

2 Fe-aerosil

200

Xúc tác 0,35 g/L; 3h,

70oC, pH =2,5,

[phenol]= 0,069 mol

60% Materials 162

(2009) 588–

606

3 Fe/MCM-41 Phenol =100 mg/L; Xúc

tác 0,1g/L; 90 phút

85.9% Y. wang, Y.

Yu, C. Deng,

J. Wang and

B. Zhang,

RSC Adv.,

2015, DOI:

10.1039/C5R

A20066K.

4 rGO-

Fe/MCM-41

Phenol =100 mg/L; Xúc

tác 0,1g/L; 25oC 90

phút, pH =3; H2O2 =

10mmol/L

95%

5 Fe-SBA-15 Phenol= 50mg/L, 0,1ml

H2O2; xúc tác 0,1g/L,

67h

82% Trần Văn Thi

và cộng sự

[11]

6 Fe3O4/GO [phenol] 20mg/L; xúc

tác 0.25g/L; pH =5; 2h

98,8% http://dx.doi.

org/10.1016/j

.seppur.2016.

07.020

7 Fe2(SO4)3 pH =3,5; xúc tác

0,25g/L; 1080mg/L

H2O2; UV 365nm

93% http://dx.doi.

org/10.1016/j

.seppur.2016.

07.020

8 Cu-Ti-

SBA15

pH=5,5; 100mg/L

phenol, 0,6ml H2O2; xúc

tác 0,1g/L, UV, 3h

98% Vũ Văn

nhượng và

cộng sự [8]

9 Cu-Fe/GO pH =3; 100mg/L

phenol, H2O2

=136mg/L; Ánh sáng

giả mặt trời, 30 -60 phút

98% Luận án này

So với các kết quả đã công bố khác, xúc tác tốt nhất cũng đạt hiệu

suất khoảng 98%, tương tự như kết quả trong luận án này. Tuy nhiên

cần nhấn mạnh rằng điều kiện phản ứng trong công trình trên với các

thông số lượng xúc tác nhiều gấp 2,5 lần; nồng độ phenol nhỏ hơn 5

lần và thời gian phản ứng gấp 2 lần.

Page 25: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

23

KẾT LUẬN

1. Đã chế tạo thành công các hệ vật liệu xúc tác nano compozit trên

cơ sở oxit kim loại và graphen oxit (GO): Fe3O4/GO; Fe-Fe3O4/GO;

CuFe2O4/GO bằng phương pháp đồng kết tủa.

2. Đã chế tạo thành công các hệ vật liệu xúc tác mới nano compozit

Fe/GO và Cu-Fe/GO bằng phương pháp cấy nguyên tử. Đây là hai hệ

xúc tác hoàn toàn mới (theo khảo cứu của tác giả thì chưa được công

bố trong trình nào).

3. Từ kết quả đặc trưng đã chứng minh vật liệu nano compozit

Fe3O4/GO; Fe-Fe3O4/GO và CuFe2O4/GO có từ tính và kích thước hạt

từ 12-20 nm. Đối với vật liệu Fe/GO; Cu-Fe/GO cho thấy kích thước

hạt nhỏ 5 -15 nm và phân bố tốt hơn trên bề mặt GO so với các xúc

tác còn lại. Bằng phương pháp XPS đã chứng minh được sự tồn tại

của các ion Fe3+, Fe2+, Fe0 và Cu2+, Cu+, Cu0. Sự có mặt của Cu+ đóng

vai trò rất quan trọng trong việc khử Fe3+ thành Fe2+ làm tăng sự hình

thành gốc OH trong phản ứng Fenton.

4. Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu trong phản ứng phân hủy

phenol trong nước tuân theo trật tự sau: Cu-Fe/GO> Fe/GO>

CuFe2O4/GO; Fe-Fe3O4/GO> Fe3O4/GO. Đánh giá hoạt tính xúc tác

tổng hợp được có thể đưa ra nhận xét là các hệ xúc tác oxit sắt từ

biến tính có hoạt tính cao hơn so với Fe3O4/GO không biến tính. Đặc

biệt hệ xúc tác oxit sắt (Fe/GO) và oxit sắt pha tạp (Cu-Fe/GO) được

tổng hợp bằng phương pháp cấy nguyên tử có hoạt tính cao hơn hẳn

so với các hệ xúc tác được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa.

5. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như nồng độ phenol ban

đầu, nồng độ xúc tác, nồng độ H2O2, pH,… đã được khảo sát trong

phản ứng phân hủy phenol trong nước trên các hệ xúc tác. Kết quả

thu được cho thấy các thông số trên đều có ảnh hưởng đến hoạt tính

xúc tác, trong đó ảnh hưởng của pH là mạnh nhất, hoạt tính đạt giá trị

cao nhất ở pH thấp từ 3-5. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hoạt

tính xúc tác rất khác nhau: hoạt tính tăng tuyến tính khi nồng độ

H2O2 từ 64-136mg/L, nhưng hoạt tính không tăng khi tiếp tục tăng

nồng độ H2O2 lên 204 mg/L. Điều kiện tối ưu được áp dụng trong

nghiên cứu của luận án là pH =3, lượng xúc tác 0,1g/L; nhiệt độ

30oC.

Page 26: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

24

6. Đã chứng minh được quá trình chuyển hóa phenol trên hệ xúc tác

Cu-Fe/GO thông qua quá trình mở vòng và cắt mạch, phần lớn sản

phẩm chuyển hóa thành CO2 và H2O chỉ còn lại hàm lượng nhỏ hợp

chất hữu cơ ít độc hại như axit axetic, axit oxalic. Đây là kết quả

hoàn toàn mới chưa được công bố trong công trình nào trong và

ngoài nước.

Page 27: NGÐ TIẾN QUYẾT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG … Ngo Tien Quyet.pdf · chung về vật liệu graphen, graphen oxit (GO), vật liệu compozit như oxit kim

25

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Ngô Tiến Quyết, Lê Hà Giang, Nguyễn Kế Quang, Vũ Anh

Tuấn (2016), “Tổng hợp vật liệu mới nano compozit Fe/GO có hoạt

tính cao trong phản ứng phân hủy phenol”, Tạp chí Hóa học,

54(5e1,2), 61 – 65.

2. Ngô Tiến Quyết, Lê Hà Giang, Nguyễn Kế Quang, Nguyễn

Thanh Tuấn, Nguyễn Trung Kiên, Đặng Tuyết Phương, Trần Thị

Kim Hoa, Vũ Anh Tuấn (2016), “Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng

của vật liệu mới nano compozit CuFe2O4/GO trong phân hủy quang

xúc tác phenol”, Tạp chí hóa học, 54 (6e2), 89 – 93.

3. Ngô Tiến Quyết, Lê Hà Giang, Nguyễn Kế Quang, Nguyễn

Thanh Tuấn, Quản Thị Thu Trang, Đặng Tuyết Phương, Ngô Quang

Binh và Vũ Anh Tuấn (2017), “Tổng hợp xúc tác mới nano Cu-

Fe/GO một giai đoạn cho hoạt tính cao trong quá trình phân hủy

phenol”, Tạp chí Xúc tác va Hấp phụ Việt Nam, T6. (No 3), 59 – 65.

4. Giang H. Le, Quyet T. Ngo, Tuan T. Nguyen, Quang K.

Nguyen, Trang T. T. Quan, Tuan A. Vu (2017), “Highly

photocatalytic activity of novel CuFe2O4/GO nano compozite in the

degradation of phenol on aqueous solution”, Physical Chemistry

2017, 7(1), 8 – 16, DOI: 10.5923/j.pc.20170701.02