VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT BIẾN TÍNH: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
………….. …………..
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT BIẾN TÍNH:
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNGNGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
Mã Số: s2016.391.85
Nhóm sinh viên thực hiện: Phạm Thị Lệ Trâm
Ngô Văn Ngọc
Lê Xuân Hải
Người hướng dẫn : PGS.TS. Nguyễn Thị Vương Hoàn

2. NỘI DUNG BÁO CÁO
Mở đầu
Tổng quan tài liệu
Các phương pháp thực
nghiệm
Kết qủa và thảo luận
Kết luận

3. Mở đầu
Lý do chọn đề tài

4. Giới thiệu graphen
Có năng lượng
vùng cấm từ
1,7 – 4,3 eV
Bề mặt riêng
lớn 2600 m2/g
có nhiều nhóm
chức hóa học
hoạt động
vùng cấm từ
1,7 – 4,3 eV

5. TiO –
Không độc hại,
bền, rẻ
Tái tạo
Hạn chế
sự tái kết
hợp.
Mở rộngTiO2 –
GO tổng
hợp
Tái tạo
electron
quang
sinh
Mở rộng
vùng
hoạt
động
quang
Khó
phân
tách
sau hấp
phụ
Hoạt tính
thể hiện ở
vùng ánh
sáng tử
ngoại
TiO2

6. Chúng em chọn đề tài:
VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT BIẾN TÍNH:
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNGNGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG
TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

7. Mục tiêu Tổng hợp vật liệu
TiO2/ graphen
oxit biến tính
có hoạt tính xúc
tác quang cao
trong ánh sáng
khả kiến
đề tài
TiO2/ graphen
oxit biến tính
dạng khử phản ứng phân
hủy methylene
xanh (MB)

8. Vật liệu graphen
oxit và graphen oxit
biến tính
vật liệu TiO2/
granphen oxit biến
tính dạng khử
methylene xanh
(MB)
Đối tượng và
phạm vi nghiên
cứu
biến tính

9. • Tổng
hợp
GO • Biến
• Tổng hợp
TiO2/graphen oxit
biến tính dạng khử • Đặc
• Đánh
giá
hoạt
Phuo
Phương pháp thực nghiệm
GO • Biến
tính GO
biến tính dạng khử • Đặc
trưng
vật liệu
hoạt
tính
xúc tác

10. Tổng hợp
vật liệu xúc
tác
Nội dung
nghiên cứu
Khảo sát khả
năng xúc tác
quang vật liệu
trong phản ứng
phân hủy MB
Đặc trưng
vật liệu

11. Tổng
quan
tài
Vật liệu
graphittài
liệu
graphit

12. Liên kết C-C tương đối bền, liên kết σ với 3 nguyên tử cacbon xung
quanh và liên kết π không định vị với các nguyên tử xung quanh. tạo ra
một hệ thống liên hợp dạng (-C=C-C=C-C=C-)
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của graphit (3D)

13. Vật liệu graphit oxit
Graphit oxit là sản phẩm của quá trình oxi hóa graphit bằng các hợp chất có tính
oxi hóa mạnh
Hình 1.2.Sơ đồ oxi hóa graphit thành graphit oxit

14. Graphen oxit (GO) và graphen oxit biến tính
Sau khi oxi hoá graphit, người ta siêu âm để tách lớp graphit tạo ra các vảy
graphen oxit.
Hình 1.3. Cấu trúc của một lớp vảy graphen oxit
Cấu trúc quan trọng nhất của sản phẩm này là luôn có mặt các nhóm chức chứa
oxi hoạt động.

15. Có nhiều
phương pháp
biến tính GO
nhưng chúng
em chọn lựa
tác nhân biến
tính vừa hỗ
trợ khả năng
phân tán
trong dungtrong dung
môi vừa
không tạo
liên kết với
các nhóm
chức trên bề
mặt GO.
Hình 1.5. Biến tính GO thông qua phản ứng diazonium hóa

16. oxitdạngkhử
khử hóa các nhóm chức chứa
oxi trên bề mặt graphen oxit
Tính chất
Tính chất cơ
và điện kì lạ
Electron
chuyển
động rất
Graphenoxit
Cấu trúc tinh thể
động rất
nhanh

17. Vật liệu titan dioxit ( TiO2)
Anatase
Các dạng
Rutile
Brookite
Các dạng
cấu trúc
TiO2

18. Tính
chất xúc
tác quang
Tổng hợp
TiO2
Cơ chế
phân hủy
chất hữu cơ
Phản ứng
xúc tác
quang trong
chất xúc
tác quang
của TiO2
phân hủy
chất hữu cơ
ô nhiễm
Các yêu tố
ảnh hưởng
đến hoạt
tính xúc tác
quang
xúc tác
quang trong
chất bán dẫn

19. Khắc
phục sự
tái kết
hợp.
Vật liệu tổ hợp TiO2/graphen oxit biến tính dạng khử.
Giải quyết ba
vấn đề của thế
kỉ 21
năng
lượng
ánh sáng

20. Chất hoạt động bề mặt và ứng dụng
Qúa trình bóc tách lớp trong pha lỏng với sự hỗ trợ của chất
HĐBM SDS (Sodium Dodecyl Sunfate)

21. Giới thiệu methylene xanh (MB)
Hình 1.13. Công thức của 3,7-bis(Dimethylamino)-
phenothiazin-5-ium chloride (hay methylene xanh)

22. Các phương pháp thực nghiệm
Thiết
bị,bị,
dụng cụ
Hóa
chất
Tổng hợp
vật liệu

23. Tổng hợp vật liệu
Tổng hợp graphen oxit (GO) bằng phương pháp Hummers biến tính
graphit cacbon
+ NaNO3
+ H2SO4 98%
t0(0-50C)
khuấy đều
Hỗn
hơp 1
1. Nâng 150C khuấy 2h
2. Cho từ từ KMnO4
3. Nâng 400C khuấy 1h
Hỗn
hơp 2
1. Siêu âm tách lớp
1. Thêm nước cất
và nâng lên 980C.
2. Thêm H2O2 5%
khuấy trong 1h.
Hỗn
hơp 3
1. Lọc rửa nhiều lần bằng
axit HCl 5%
2. Rửa bằng nước cất đến
pH = 7
Graphit
Oxit
1. Siêu âm tách lớp
với x gam SDS
(x= 0,0625g, 0,125g,
0,1875g, 0,25g )
2. Giữ ở (0-50C)
Dung dịch Graphen oxit
( Dung Dịch 1)

24. Tổng hợp vật liệu
Tổng hợp graphen oxit biến tính SGO-S
46(mg) axit sulfanilic 300 mg Na2CO3
trong 10 ml nước cất
Gia nhiệt
Dung dịch đồng nhất NaNO trong 5 ml nước cất Dung dịch HCl 1NDung dịch đồng nhất NaNO2 trong 5 ml nước cất Dung dịch HCl 1N
Dung dịch muối diazoni
( Dung Dịch 2)
Làm lạnh (0-50C), khuấy

25. Tổng hợp vật liệu
Tổng hợp graphen oxit biến tính SGO-S dạng khử
GO đã phân tán ngâm
trong nước ở (0-50C)
(Dung dịch 1) Khuấy 2h
(0-50C)
SGO -S
(Graphen oxit biến tính)
Dung dịch muối diazoni
của axit sulfanilic
(Dung dịch 2)
rSGO-S
(Graphen oxit biến tính
dạng bị khử)
Thêm chất khử
Khuấy 8h ở 500C

26. Tổng hợp vật liệu
Tổng hợp vật liệu TiO2/rSGO-S
m (g) r-SGO-S
siêu âm 2 giờ Hỗn hợp 1
Làm lạnh 30
phút
Hỗn hợp 2
100ml H2O và 20ml etanol
Cho 20 ml TiCl4 mà
không khuấy
Cho vào autocle thủy
nhiệt 180oC 12 giờ
Hỗn hợp 3
Lọc rửa bằng etanol
Sấy 800C trong 3 giờ
TiO2/rSGO-S

27. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
Nhiễu xạ tia X: xác định cấu trúc
IR: xác định các liên kết
TEM: xác định hình dạng và kích thước hạt
SEM: xác định hình thái bề mặt ngoài

28. Khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng
phân hủy MB
Xây dựng
đường
chuẩn MB
Khảo sátKhảo sát
hoạt tính
xúc tác
Đánh giá khả
năng hấp phụ
của
TiO2/rSGO-S

29. 3. KẾT QUẢ VÀ
THẢO LUẬNTHẢO LUẬN

30. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.1. Graphen oxit và graphen oxit biến tính
Graphit
10 20 30 40 50
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
(b)
(a)
5 10 15 20 25 30
(d)
(c)
(b)
Hình 3.1. Giản đồ XRD của graphit (hình nhỏ phía trên góc phải);
GO-S0.0625 (a), GO-S0.125 (b), GO-S0.1875 (c) và GO-S0,25(d)
pic đặc trưng của graphit ở 2θ tại 26,3o đã mất đi và thay vào
đó là sự xuất hiện của pic ở góc 2θ nhỏ hơn ở các hình a, b,
c, d (chuyển về góc 2θ gần 11°, đặc trưng cho GO)

31. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.1. Graphen oxit và graphen oxit biến tính
Nguyên tố
Graphit GO – S
%
nguyên tử
% mol
%
nguyên tử
% mol
C 90,97 7,58 10,42 0,87
O 7,86 0,49 39,48 2,47
S --- 6,45 0,20S --- 6,45 0,20
Si --- 21,91 0,78
Na --- 21,73 0,94
Các nguyên tố khác 1,17 0,01
Bảng 3.1. Hàm lượng các nguyên tố trong graphit và GO-S

32. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.1. Graphen oxit và graphen oxit biến tínhqua(%T)
O-H
C=O
a
b
Mẫu GO-S thì các pic đặc trưng
của các nhóm chức chứa oxi tại
bước sóng 3343 cm-1 (dao động
của nhóm –OH), 1717 cm-1 và
1628 cm-1 (dao động của -C=O ),
1101 cm-1 (dao động của C-O).
Mẫu graphen oxit biến tính,
SGO-S (c) xuất hiện các pic đặc
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
S sóng(cm-1 )
Đtruynqua(%T)
O=S=O C-S
c
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của GO-S (a), rSGO-S (b), SGO-S (c)
SGO-S (c) xuất hiện các pic đặc
trưng của nhóm -SO3H như
O=S=O ở 1179 cm-1 và liên kết
C-S ở 642,3 cm-1. Mẫu rSGO-S
(b), các pic đặc trưng của các
nhóm chức chứa oxi tại bước
sóng 3343 cm-1 (dao động của
nhóm –OH), 1717 cm-1 và 1628
cm-1 (dao động của -C=O ), 1101
cm-1 (dao động của C-O) đã giảm
rõ rệt.

33. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.1. Graphen oxit và graphen oxit biến tính
Hình 3.3. Ảnh HR-TEM của GO-S (a) và rSGO-S (b)
Hình thái học của các mẫu SGO-S và rSGO-S được xác định bởi
kỹ thuật HR-TEM

34. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.2. Vật liệu tổ hợp TiO2/ rSGO-S
ươngđi(cps)
a
A (101)
A (004) A (105)
R (111)
Các pic ở góc 2theta
25,5o; 37 o; 54 o;
56,5 o; 62,5 o tương
ứng các mặt (101),
(004), (105), (211),
(204). Điều này
chứng tỏ đã có sự
hình thành TiO
20 30 40 50 60 70
2theta (đ )
Cưngđtươ
a
b
A (211)
A (204)
R (110)
R (111)
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2 (a) vàTiO2/ rSGO-S (b)
hình thành TiO2
trong vật liệu. Bên
cạnh đó có xuất hiện
các pha rutile (theo
thẻ chuẩn JCPDS
65-0190) ở góc
2theta 27,5 o; 41,2o
ứng với các mặt
(110), (111).

35. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.2. Vật liệu tổ hợp TiO2/ rSGO-S
Nguyên tố % khối lượng % nguyên tử
C 0,14 0,31
O 39,11 55,59
Ti 60,49 33,88
S 0,24 10,26
Na và một số nguyên tố khác 0,02 0,06
Bảng 3.2. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu TiO2/ rSGO-S
Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu GO-S và TiO2/rSGO-S
có sự khác biệt. Lượng C trong mẫu giảm đáng kể từ 10,42% trong GO-S
xuống còn 0,31% (TiO2/rSGO-S) trong khi đó lượng oxi trong mẫu lại tăng
khác cao, từ 39,48% tăng lên 65,59%

36. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.2. Vật liệu tổ hợp TiO2/ rSGO-S
Hình 3.5. Ảnh SEM của TiO2/rSGO-S
Ảnh SEM của TiO2/rSGO-S chỉ ra đặc trưng kiểu lớp của vật liệu. Các khối
có xu hướng xếp lại gần nhau hơn. Ngoài ra cũng có thể thấy các hạt TiO2
phân bố đều đặn trên bề mặt của SGO-S.

37. 3.1. Đặc trưng vật liệu
3.1.2. Vật liệu tổ hợp TiO2/ rSGO-S
a b
100nm
HV=80.0kV
Direct Mag: 20000x
rSGO-S
Print Mag: 39800x @51mm
14:05:10 a 01/15/17
TEM Mode:Imaging
TiO2/rSGO-S
Print Mag: 80400x @51mm
13:30:25 a 03/10/17
TEM Mode:Imaging
100nm
HV=80.0kV
Direct Mag: 40000x
Hình 3.6. Ảnh TEM của rSGO-S (a) và TiO2/rSGO-S (b)
Khi quan sát ảnh TEM của vật liệu TiO2/rSGO-S, hình 3.6 (b) có thể thấy rất rõ
sự phân tán đều đặn các hạt nano TiO2 trên graphen oxit biến tính dạng khử,
trong khi đó rSGO-S (a) chỉ là tấm mỏng trong suốt

38. 3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng
phân hủy MB
bước sóng
hấp phụ cực
đại Xây dựng
đường chuẩn
1.5
2.0
2.5
Abs
y = 0.25177x + 0.03979
R2
= 0.9986
đại
đường chuẩn
0 2 4 6 8 10
0.0
0.5
1.0
Abs
Noàng ñoä (mg/l)
Hình 3.7. Phổ UV- Vis của MB Hình 3.8. Đường chuẩn của xanh metylen (MB)

39. 3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng
phân hủy MB
• Thời gian đạt cân
bằng hấp phụ là sau
2 giờ.
Khảo sát thời
gian đạt cân
bằng hấp phụ
3.2.4. Đánh giá hoạt tính quang xúc
tác trong phản ứng phân hủy MB

40. 0.90
0.95
1.00
TiO2
SGO-S
TiO2/rSGO-S
3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng
phân hủy MB
Khi so sánh hoạt
tính xúc tác quang
của 3 mẫu SGO-S,
TiO2, TiO2/rSGO-S,
ta nhận thấy mẫu
TiO2/rSGO-S có
hoạt tính xúc tác tốt
0 50 100 150 200 250 300
0.70
0.75
0.80
0.85
Th i gian (phút)
C/C0
Hình 3.8. Đồ thị phân hủy MB (C/C0) theo thời gian của
SGO-S, TiO2 và TiO2/rSGO-S
hoạt tính xúc tác tốt
cao hơn SGO-S,
TiO2. Sau 300 phút
phản ứng, với vật
liệu TiO2/rSGO-S,
nồng độ MB giảm
26,8%, tiếp đến là
SGO-S, 22, 1% và
cuối cùng là TiO2,
20,6%.

41. 3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng
phân hủy MB
0.90
0.95
1.00
1.05
TiO2/rSGO-S (0,05)
TiO2/rSGO-S (0,1)
TiO2/rSGO-S (0,015)
Với mẫu TiO2/rSGO-
S (0,015), sau 300
phút phản ứng nồng
độ MB giảm 26,8%,
sự giảm nồng độ MB
tăng lên khi tăng
SGO-S, mẫu
TiO /rSGO-S (0,05)
0 50 100 150 200 250 300
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
Th i gian (phút)
C/C0
Hình 3.8. Đồ thị phân hủy MB (C/C0) theo thời gian bởi
TiO2/rSGO-S (0,1), TiO2/rSGO-S (0,05) và TiO2/rSGO-S (0,015)
TiO2/rSGO-S (0,05)
giảm 33,2%. Nhưng
nếu tiếp tục tăng
SGO-S thì hoạt tính
xúc tác quang của vật
liệu tổ hợp TiO2 với
SGO-S lại giảm, mẫu
TiO2/rSGO-S (0,1)
nồng độ MB giảm
14,7%

42. KẾT LUẬN
1. Đã tổng hợp thành công GO bằng phương pháp hóa học đi từ
graphit theo phương pháp Hummers biến tính có sử dụng chất
hoạt động bề mặt SDS.
2. Biến tính thành công GO bằng muối diazonium của axit
sulfanilic. Vật liệu sau khi biến tính vẫn giữa được cấu trúc lớp
của GO với sự có mặt của nhiều nhóm chức chứa oxi hoạt độngcủa GO với sự có mặt của nhiều nhóm chức chứa oxi hoạt động
và có mặt của chất biến tính.
3. Tổng hợp chất xúc tác tổ hợp TiO2 với SGO-S bằng phương
pháp thủy nhiệt với lượng SGO-S thay đổi trong khoảng từ 0,015
– 0,1 gam. Trong chất xúc tác tổ hợp TiO2/ rSGO-S, TiO2 có
thành phần tinh thể và kích thước hạt xác định, khoảng 20-25
nm. Chúng phân tán đồng đều trên bề mặt SGO-S.

43. KẾT LUẬN
4. Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tổ hợp TiO2/
rSGO-S trong phản ứng phân hủy MB dưới ánh sáng khả kiến.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu TiO2/ rSGO-S thể hiện khả
năng quang xúc tác cao khi lượng SGO-S tổ hợp tăng từ 0,015 –
0,05 gam. Sự có mặt của SGO-S đã làm giảm nằn lượng vùng0,05 gam. Sự có mặt của SGO-S đã làm giảm nằn lượng vùng
cấm, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng ánh sáng khả
kiến.