Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình điều chế nano tio2 từ nguồn sa khoáng ilmennite Việt Nam

Trang nhan đề Lời cảm ơn Mục lục MỤC LỤC Mở Đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. VẬT LIỆU NANO TiO2 VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA NÓ. 1.1.1. Vật liệu Nano TiO2 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO TiO2. 1.2.1. Phương pháp sulfate trong điều chế nano TiO2 . 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mỗi giai đoạn của trình điều chế nano TiO2 bằng phương pháp sulfate . . 1.3. PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA THỰC NGHIỆM DỰA TRÊN MA TRẬN SIMPLEX . CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU . 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 2.2.1. Nguyên vật liệu và mô hình thí nghiệm 2.2.2. Thí nghiệm tối ưu hóa 2.2.2.1. Giai đoạn chuyển titan từ quặng vào trong dung dịch. 2.2.2.2. Giai đoạn thủy phân dung dịch sulfate titan trong điều kiện microwave. 2.2.2.3. Giai đoạn xử lí nhiệt sản phẩm của quá trình thủy phân tạo thành nano TiO2 2.2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH . 2.2.3.1. Phương pháp phân tích hóa học . 2.2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 2.2.3.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 2.2.3.4. Xác định kích thước và hình thái bề mặt của mẫu – Ảnh FE-SEM và TEM 2.2.4. Phương pháp đánh giá hoạt tính quang hóa của mẫu TiO2 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM . VÀ BIỆN LUẬN . 3.1. Nghiên cứu tối ưu hóa giai đoạn chuyển titan từ quặng vào trong dung dịch 3.2. Nghiên cứu tối ưu hóa giai đoạn thủy phân dung dịch sulfate titan trong điều kiện microwave 3.3. Nghiên cứu tối ưu hóa giai đoạn xử lý nhiệt sản phẩm thuỷ phân thành bột nano TiO2 3.4. Pin mặt trời DSSC CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Phụ lục

pdf20 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 20/08/2013 | Lượt xem: 1615 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình điều chế nano tio2 từ nguồn sa khoáng ilmennite Việt Nam, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
29 CHÖÔNG 3: KEÁT QUAÛ THÖÏC NGHIEÄM VAØ BIEÄN LUAÄN 3.1. Nghieân cöùu toái öu hoùa giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo trong dung dòch. Keát quaû quaù trình toái öu hoaù giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch theo ma traän thöïc nghieäm töông öùng (baûng 2.3) ñöôïc trình baøy trong baûng 3.1. Baûng 3.1: Keát quaû thöïc nghieäm taïi töøng ñieåm cuûa khoâng gian yeáu toá trong giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch. Ma traän thöïc nghieäm (Uij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Ui1 ( 2/TiOaxit n ) Ui2 (Tuû maãu) Ui3 (tuû maãu) mht, g Đáp ứng Yi -H%, % 1 D1 2,1 170 120 25,6 49,06 2 D2 2,9 177 134 34,3 65,72 3 D3 2,3 198 134 23,0 44,07 4 D4 2,3 177 177 29,8 57,26 Trong ñoù, − mht – laø khoái löôïng TiO2 ñöôïc chuyeån töø 100g quaëng ilmenite vaøo dung dòch tröôùc thuyû phaân. − Caùc giaù trò cuûa ñaùp öùng Y laø hieäu suaát hoaø taùch titan töø quaëng vaøo dung dòch tröôùc thuyû phaân, ñöôïc tính theo coâng thöùc (2.2). Töø baûng 3.1 ta nhaän thaáy ñieåm 3 laø ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, vì vaäy theo nguyeân taéc cuûa phöông phaùp simplex, ñieåm 3 seõ ñöôïc loaïi boû vaø thay theá 30 baèng ñieåm phaûn xaï töông öùng (ñieåm 5) vôùi caùc toïa ñoä ñöôïc tính theo coâng thöùc (1.1) nhö sau: U51 = 3 2 (2,1 +2,9+2,3) – 2,3 = 2,6 U52 = 3 2 (170+177+177) – 198 = 151 U53 = 3 2 (120+134+177) – 134 = 153 Keát quaû thí nghieäm ñöôïc tieán haønh theo caùc ñieàu kieän töông öùng vôùi ñieåm 5 cho giaù trò ñaùp öùng Y5 = 63,46%. Keát hôïp vôùi baûng 3.1 ta coù thöù töï ñaùp öùng laø: Y1<Y4<Y5<Y2. Nhö vaäy, thöù töï ñaùp öùng naøy töông öùng vôùi tröôøng hôïp IV cuûa caùc pheùp bieán ñoåi simplex. Do ñoù, chuùng toâi thöïc hieän pheùp phaûn xaï bình thöôøng theo ñuùng quy taéc 1 (mục 1.3 chương 1), nghóa laø loaïi ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, laáy ñieåm phaûn xaï cuûa noù vaø ño ñaùp öùng taïi ñieåm môùi. Töông töï nhö vaäy, caùc pheùp phaûn xaï ñöôïc tiếp tục tieán haønh cho ñeán khi ñaït ñieåm toái öu. Keát quaû quaù trình toái öu hoaù cuûa giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch ñöôïc toång hôïp trong baûng 3.2. Keát quaû töø baûng 3.2 cho thaáy raèng, sau 5 laàn phaûn xaï lieân tieáp, ñaùp öùng taêng ñeán ñieåm 7 vaø giaûm ôû caùc laàn phaûn xaï tieáp theo. Vì vaäy coù theå döøng laïi ôû ñieåm 7. Ñieåm 7 laø ñieåm toái öu. 31 Baûng 3.2: Toång hôïp caùc thí nghieäm toái öu hoaù cuûa giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo trong dung dòch. Ma traän thöïc nghieäm(Uij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Pheùp phaûn xaï Ui1 ( 2/TiOaxit n ) Ui2 (Tuû maãu) Ui3 (tuû maãu) Ñaùp öùng Yi So saùnh ñaùp öùng cuûa caùc ñieåm 1 D1 - 2,1 170 120 49,06 - 2 D2 - 2,9 177 134 65,72 - 3 D3 - 2,3 198 134 44,07 - 4 D4 - 2,3 177 177 57,26 - 5 D5 3 Æ 5 2,6 151 153 63,46 Y1<Y4<Y5<Y2 6 D6 1 Æ 6 3,1 167 190 70,05 Y4<Y5<Y2<Y6 7 D7 4 Æ 7 3,4 153 141 72,03 Y5<Y2<Y6<Y7 8 D8 5 Æ 8 3,7 180 156 68,90 Y2<Y8<Y6<Y7 9 D9 2 Æ 9 3,9 156 190 67,31 Y9<Y8<Y6<Y7 Keát quaû quaù trình toái öu hoùa treân ñaây ñöôïc bieåu dieãn treân hình 3.1. 32 0 10 20 30 40 50 60 70 80 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Caùc maãu tieán haønh thí nghieäm toái öu hoùa H ie äu su aát h oøa ta ùch ti ta n (H % ) Hình 3.1: Söï thay ñoåi hieäu suaát hoøa taùch titan töø quaëng vaøo dung dòch theo caùc maãu thí nghieäm cuûa quaù trình toái öu hoùa. Nhận xét: Quaù trình phaân huûy quaëng ilmenite baèng acid sulfuric laø moät quaù trình hoùa lí phöùc taïp bò chi phoái bôûi 3 yeáu toá chính: tæ leä mol axit/TiO2, nhieät ñoä uû vaø thôøi gian uû maãu. Söï thay ñoåi cuûa moãi thoâng soá ñeàu coù aûnh höôûng ñeán hieäu suaát chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch. Keát quaû quaù trình toái öu hoaù thöïc nghieäm baèng ma traän simplex, ñaõ bao goàm vieäc xem xeùt toång hôïp aûnh höôûng cuûa ñoàng thôøi 3 yeáu toá treân ñaây ñeán hieäu suaát chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch. Hieäu suaát ñaït toái öu töông öùng vôùi caùc ñieàu kieän thöïc nghieäm sau: tæ leä mol axit/TiO2 laø 3,4; nhieät ñoä phaûn öùng laø 1530C; thôøi gian phaûn öùng laø: 141 phuùt. 33 3.2. Nghieân cöùu toái öu hoùa giai ñoaïn thuûy phaân dung dòch sulfate titan trong ñieàu kieän microwave. Với dung dịch thuyû phaân ñöôïc chuaån bò theo caùc ñieàu kieän toát nhaát cuûa quaù trình toái öu hoaù cuûa giai ñoaïn chuyeån titan töø quaëng vaøo dung dòch, quaù trình toái öu hoaù giai ñoaïn thuûy phaân ñöôïc thöïc hieän vôùi caùc dung dòch thuyû phaân coù noàng ñoää TiO2 vaø thôøi gian thuyû phaân khaùc nhau nhö ñaõ ñöôïc vaïch ra trong ma traän thöïc nghieäm (baûng 2.5), thu ñöôïc keát quaû trong baûng 3.3: Baûng 3.3: Keát quaû ñaùp öùng taïi töøng ñieåm cuûa khoâng gian yeáu toá ôû giai ñoaïn thuûy phaân dung dòch sulfate titan trong ñieàu kieän microwave. Ma traän thöïc nghieäm (Vij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Vi1 ( 2TiO C ) Vi2 (tthuûy phaân) Ñaùp öùng Yi - Kích thöôùc trung bình cuûa tinh theå anatase trong saûn phaåm thuyû phaân, nm 1 H1 120,0 180 3,7 2 H2 216,6 221 6,3 3 H3 145,9 335 5,4 Töø baûng 3.3 ta nhaän thaáy ñieåm 2 laø ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, vì vaäy theo nguyeân taéc cuûa phöông phaùp simplex, ñieåm 2 seõ ñöôïc loaïi boû vaø thay theá baèng ñieåm phaûn xaï töông öùng (ñieåm 4) vôùi toïa ñoä ñöôïc tính theo coâng thöùc (1.1) nhö sau: V41 = (120 + 145,9) – 216,6 = 49,3 V42 = (180 + 353,9) – 226,6 = 293 Keát quaû thí nghieäm ñöôïc tieán haønh theo caùc ñieàu kieän töông öùng vôùi ñieåm 4 cho giaù trò ñaùp öùng Y4 = 4,4nm. 34 Keát hôïp vôùi baûng 3.3 ta coù thöù töï ñaùp öùng laø: Y3<Y4<Y1. Nhö vaäy, thöù töï ñaùp öùng naøy töông öùng vôùi tröôøng hôïp IV cuûa caùc pheùp bieán ñoåi simplex. Do ñoù, chuùng toâi thöïc hieän pheùp phaûn xaï bình thöôøng theo ñuùng quy taéc 1, nghóa laø loaïi ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, laáy ñieåm phaûn xaï cuûa noù vaø ño ñaùp öùng taïi ñieåm ñoù. Töông töï nhö vaäy, caùc pheùp phaûn xaï ñöôïc tiếp tục tieán haønh cho ñeán khi ñaït ñieåm toái öu. Keát quaû quaù trình toái öu hoaù cuûa giai ñoaïn thuûy phaân dung dòch sulfate titan trong ñieàu kieän microwave ñöôïc toång hôïp trong baûng 3.4. Baûng 3.4: Toång hôïp caùc thí nghieäm toái öu hoaù giai ñoaïn thuûy phaân dung dòch sulfate titan trong ñieàu kieän microwave. Ma traän thöïc nghieäm(Vij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Pheùp phaûn Xaï Vi1 ( 2TiO C ) Vi2 (tthuûy phaân) Ñaùp öùng Yi nm So saùnh ñaùp öùng cuûa caùc ñieåm 1 H1 - 120,0 180 3,7 - 2 H2 - 216,6 221 6,3 - 3 H3 - 145,9 335 5,4 - 4 H4 2Æ4 49,3 293 4,4 Y3<Y4<Y1 5 H5 3Æ5 23,4 139 3,0 Y4<Y1<Y5 6 H6 4Æ6 94,1 26,0 -x) Y6<Y1<Y5 x) Khoâng xaùc ñònh ñöôïc kích thước hạt do hieäu suaát thuyû phaân quaù thaáp. Trong caùc maãu tieán haønh thí nghieäm toái öu hoùa, ta nhaän thaáy coù maãu H6 coù hieäu suaát thuyû phaân quaù thaáp khoâng theå xaùc ñònh ñöôïc kích thöôùc tinh theå trung bình neân thöïc teá coù theå xem ñaùp öùng ôû maãu H6 laø moät ñaùp öùng keùm. Trong quaù trình toái öu hoùa giai ñoaïn thuûy phaân dung dòch sulfate titan trong ñieàu kieän 35 vi soùng ta thaáy ñaùp öùng Y taêng daàn ñeán ñieåm 5 sau ñoù giaûm ôû ñieåm 6, vaäy ta döøng laïi ôû ñieåm 5, ñieåm 5 laø ñieåm toái öu. Caên cöù vaøo keát quaû thöïc nghieäm thu ñöôïc sau khi tieán haønh 6 thí nghieäm toái öu hoùa ñöôïc trình baøy treân baûng 3.4, ta nhaän thaáy sau ba laàn phaûn xaï lieân tieáp, ñaùp öùng laø kích thöôùc tinh theå anatase trong saûn phaåm thuyû phaân ñaït toái öu taïi giaù trò 3,0 nm (ñieåm 5) töông öùng vôùi caùc ñieàu kieän thöïc nghieäm sau: noàng ñoä TiO2 laø 23,4g/l, thôøi gian thuûy phaân laø 139 phuùt. Giaûn ñoà XRD cuûa caùc saûn phaåm thuyû phaân ñöôïc trình baøy treân hình 3.2 Hình 3.2: Giaûn ñoà XRD cuûa caùc saûn phaåm thuûy phaân Treân hình 3.2 cho thaáy raèng caùc maãu ñeàu coù caáu truùc roõ neùt cuûa pha anatase. Theo nhieàu taøi lieäu nghieân cöùu, quaù trình thuûy phaân dung dòch titanyl sulfate thöôøng thu ñöôïc keát tuûa vôùi söï xuaát hieän cuûa caû 2 pha tinh theå vaø voâ ñònh hình [4][6]. Ñeå pheùp so saùnh ñaùp öùng cuûa quaù trình toái öu ñaït ñöôïc keát quaû chính xaùc, ta caàn phaûi tieán haønh xaùc ñònh haøm löôïng pha tinh theå vaø voâ ñònh hình coù trong caùc maãu. Keát quaû xaùc ñònh haøm löôïng pha tinh theå TiO2 – Anatase vaø pha voâ ñònh hình cuûa caùc maãu ñöôïc cho trong baûng 3.5: 36 Baûng 3.5: Keát quaû phaân tích haøm löôïng pha tinh theå vaø voâ ñònh hình cuûa caùc saûn phaåm thuûy phaân. STT Kí hieäu maãu Dieän tích vaïch nhieãu xaï 2 Theta (ñoä) d Haøm löôïng pha tinh theå (%) 1 Maãu chuaån 749,29 25,3079 3,5163 100 2 H 5 742,85 25,3059 3,5165 99 3 H4 686,71 25,3056 3,5166 92 5 H3 649,65 25,357 3,5096 87 6 H2 636,89 25,363 3,5067 85 4 H1 710,75 25,295 3,5180 95 Maãu chuaån : TiO2 – Anatase thöông phaåm cuûa Trung Quoác vôùi ñoä saïch 99,9% Nhö vaäy trong caùc maãu ñöôïc phaân tích haøm löôïng pha tinh theå vaø voâ ñònh hình thì maãu H5 coù haøm löôïng pha tinh theå cao nhaát 99%. Maët khaùc, haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå cuûa saûn phaåm thuûy phaân (hình 3.3) cho thaáy raèng, maãu H5 coù phaân boá kích thöôùc haït taäp trung trong khoaûng 1-5nm. Ñieàu naøy taïo ñieàu kieän toát cho quaù trình phaùt trieån caùc ñaëc tröng hoaù lyù cuûa saûn phaåm trong quaù trình xöû lyù nhieät thuaän lôïi cho caùc öùng duïng xuùc taùc: ñoä tinh theå hoùa cao, kích thöôùc haït beù, dieän tích beà maët rieâng lôùn, … 37 Hình 3.3: Haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå cuûa saûn phaåm thuûy phaân 3.3. Nghieân cöùu toái öu hoùa giai ñoaïn xöû lyù nhieät saûn phaåm thuyû phaân thaønh boät nano TiO2. Với saûn phaåm thuyû phaân ñöôïc chuaån bò theo caùc ñieàu kieän toái öu cuûa caùc quaù trình treân ñaây, giai ñoaïn xöû lyù nhieät ñöôïc tieán haønh vôùi söï thay ñoåi nhieät ñoä vaø thôøi gian nung theo ma traän thöïc nghieäm töông öùng (baûng 2.7). Keát quaû ñöôïc trình baøy trong baûng 3.6. 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Kích thöôùc tinh theå (nm) So á ti nh th eå H5 H1 H4 H2 H3 38 Baûng 3.6: Keát quaû ñaùp öùng taïi töøng ñieåm cuûa khoâng gian yeáu toá ôû giai ñoaïn xöû lyù nhieät saûn phaåm thuyû phaân. Ma traän thöïc nghieäm(Nij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Ni1 (Tnung) Ni2 (tnung) Ñaùp öùng Yi - Hieäu suaát quang phaân huûy RO16 sau 3h chieáu UV (%QH) % 1 C1 675 120 75,27 2 C2 844 136 10,40 3 C3 720 178 37,16 Töø baûng 3.6 ta nhaän thaáy ñieåm 2 laø ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, vì vaäy theo nguyeân taéc cuûa phöông phaùp simplex, ñieåm 2 seõ ñöôïc loaïi boû vaø thay theá baèng ñieåm phaûn xaï töông öùng (ñieåm 4) vôùi toïa ñoä ñöôïc tính theo coâng thöùc (1.1) nhö sau: N41 = (675+720,29) – 844,04 = 551 N42 = (120+177,95) – 135,53 = 162 Keát quaû thí nghieäm ñöôïc tieán haønh theo caùc ñieàu kieän töông öùng vôùi ñieåm 4 cho giaù trò ñaùp öùng Y4 = 77,1%. Keát hôïp vôùi baûng 3.6 ta coù thöù töï ñaùp öùng laø: Y3<Y4<Y1. Nhö vaäy, thöù töï ñaùp öùng naøy töông öùng vôùi tröôøng hôïp IV cuûa caùc pheùp bieán ñoåi simplex. Do ñoù, chuùng toâi thöïc hieän pheùp phaûn xaï bình thöôøng theo ñuùng quy taéc 1 (mục 1.3 chương 1), nghóa laø loaïi ñieåm coù ñaùp öùng keùm nhaát, laáy ñieåm phaûn xaï cuûa noù vaø ño ñaùp öùng taïi ñieåm ñoù. Töông töï nhö vaäy, caùc pheùp phaûn xaï ñöôïc tiếp tục tieán haønh cho ñeán khi ñaït ñieåm toái öu. Keát quaû quaù trình toái öu hoaù cuûa giai ñoaïn xöû lyù nhieät saûn phaåm thuyû phaân thaønh thaønh nano TiO2 ñöôïc toång hôïp trong baûng 3.7. 39 Baûng 3.7: Toång hôïp keát quaû ñaùp öùng taïi töøng ñieåm cuûa khoâng gian yeáu toá ôû giai ñoaïn xöû lí nhieät saûn phaåm thuûy phaân. Ma traän thöïc nghieäm (Nij) Ñieåm thí nghieäm (i) Kí hieäu maãu Pheùp phaûn Xaï Ni1 (Tnung) Ni2 (tnung) Ñaùp öùng Yi % So saùnh ñaùp öùng cuûa caùc ñieåm 1 C1 - 675 120 75,27 - 2 C2 - 844 136 10,40 - 3 C3 - 720 178 37,16 - 4 C4 2Æ4 551 162 49,34 Y3<Y4<Y1 5 C5 3Æ5 506 105 56,84 Y4<Y5<Y1 6 C6 4Æ6 630 62 65,17 Y5<Y6<Y1 Nhö vaäy sau 3 laàn phaûn xaï lieân tieáp phaûn öùng ñaït toái öu taïi maãu C1 vôùi hieäu suaát quang phaân huûy thuoác nhuoäm OR16 sau 3 giôø chieáu UV laø 75,27% töông öùng vôùi caùc thoâng soá: nhieät ñoä nung 6750C vaø thôøi gian nung 2 giôø. Keát quaû treân coøn ñöôïc trình baøy roõ raøng hôn qua hình 3.4. 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 C1 C2 C3 C4 C5 C6 degussa Maãu H (% ) Hình 3.4: Hieäu suaát quang phaân huûy thuoác nhuoäm RO16 cuûa caùc maãu TiO2 sau 3 giôø chieáu UV. Beân caïnh ñoù maãu xuùc taùc TiO2 - P25(Degussa) cuõng ñöôïc ño hieäu suaát quang phaân huûy thuoác nhuoäm RO16 ñeå laøm keát quaû so saùnh. Keát quaû söï thay ñoåi phoå haáp thu UV-VIS cuûa dung dòch thuoác nhuoäm RO16 trong quaù trình quang hoùa vôùi xuùc taùc C1 vaø P25 ñöôïc cho treân hình 3.5(a) vaø 3.5(b). Keát quaû cho thaáy raèng hieäu quaû söû duïng xuùc taùc C1 trong phaûn öùng quang hoùa cao hôn nhieàu so vôùi P25, trong quaù trình quang hoùa thöïc teá vieäc söû duïng xuùc taùc C1 ñaõ laøm maát maøu hoaøn toaøn dung dòch thuoác nhuoäm RO16 sau 6 giôø chieáu UV. 41 (a) (b) Hình 3.5: Söï thay ñoåi phoå haáp thu UV-VIS cuûa dung dòch RO16 trong quaù trình haáp phuï vaø quang hoùa vôùi xuùc taùc C1 (a) vaø P25 (b)ø Nhö ñaõ trình baøy trong chöông 2, vôùi ñònh höôùng öùng duïng saûn phaåm nano TiO2 laøm vaät lieäu xuùc taùc quang hoaù ñaùp öùng cuûa quaù trình xöû lyù nhieät saûn phaåm thuyû phaân ñöôïc choïn laø hieäu suaát phaân quang phaân huyû OR16. Tuy nhieân, veà baûn chaát, hoaït tính quang hoaù bò chi phoái bôûi caùc ñaëc tröng hoaù lyù cuûa saûn phaåm TiO2 taïo thaønh . Vì vaäy, ñeå ñaùnh giaù ñaày ñuû hôn veà keát quaû cuûa pheùp toái öu hoaù, luaän vaên naøy ñaõ tieán haønh khaûo saùt moái töông quan giöõa hoaït tính quang hoaù vaø caùc ñaëc tröng cuûa caùc saûn phaåm nano TiO2 thu ñöôïc trong quaù trình toái öu hoaù, ñoàng thôøi keát hôïp so saùnh vôùi maãu TiO2 – P25. Caùc ñaëc tröng hoùa lyù cuûa caùc saûn phaåm cuûa quaù trình toái öu hoùa ñöôïc phaân tích bao goàm: thaønh phaàn pha, kích thöôùc tinh theå trung bình, dieän tích beà maët rieâng, aûnh TEM vaø haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 200 300 400 500 600 700 Böôùc soùng (nm) Ñ oä ha áp th u thuoác nhuoäm P25-Hp-1h P25-Qh-1h P25-Qh-2h P25-Qh-3h P25-Qh-4h P25-Qh-5h P25-Qh-6h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 200 300 400 500 600 700 Böôùc soùng (nm) Ñ oä ha áp th u thuoác nhuoäm C1-Hp-1h C1-Qh-1h C1-Qh-2h C1-Qh-3h C1-Qh-4h C1-Qh-5h C1-Qh-6h 42 Thaønh phaàn pha cuûa caùc saûn phaåm cuûa quaù trình toái öu hoùa ñöôïc cho trong giaûn ñoà XRD hình 3.6. Hình 3.6: Thaønh phaàn pha cuûa caùc maãu TiO2 cuûa quaù trình toái öu hoùa. Keát quaû treân hình 3.6 cho thaáy thaønh phaàn pha cuûa caùc maãu sau khi xöû lyù nhieät chuû yeáu laø pha anatase, tuy nhieân coù söï xuaát hieän 1 löôïng nhoû pha rutile ôû maãu C3(3%) vaø maãu C2(35%). Do söï xuaát hieän löôïng pha rutile trong maãu C2 vaø C3 ñaõ laøm taêng kích thöôùc tinh theå trung bình vaø laøm giaûm dieän tích beà maët rieâng ôû caùc maãu naøy (baûng 3.7). Söï taêng vaø giaûm caùc ñaëc tính naøy gaây baát lôïi cho hoaït tính quang xuùc taùc neân hieäu suaát quang phaân huûy RO16 ôû 2 maãu naøy raát thaáp. Kích thöôùc tinh theå trung bình vaø dieän tích beà maët rieâng caùc saûn phaåm cuûa quaù trình toái öu hoùa ñöôïc cho trong baûng 3.7. C5 C4 C6 C1 C3 C2 A R R R R R R A A A A 43 Baûng 3.8: Kích thöôùc tinh theå trung bình vaø ñieän tích beà maët rieâng cuûa caùc saûn phaåm TiO2 cuûa quaù trình toái öu hoùa. Kí hieäu maãu Kích thöôùc trung bình cuûa tinh theå anatase (nm) Dieän tích beà maët rieâng (m2/g) Hieäu suaát quang phaân huûy RO16 sau 3h chieáu UV C1 19,5 27,10 75,27 C2 56,0 20,18 10,40 C3 21,6 30,50 37,16 C4 16,3 48,45 49,34 C5 13,5 75,58 56,84 C6 16,6 51,43 65,17 P25 25,0 48,76 56,12 Treân baûng 3.8 ta nhaän thaáy raèng, nhìn chung khi kích thöôùc tinh theå taêng thì dieän tích beà maët rieâng giaûm vaø hoaït tính quang hoùa giaûm. Tuy nhieân ôû maãu C1 maëc duø coù dieän tích beà maët rieâng nhoû (nhoû hôn P25) nhöng hoaït tính quang hoùa raát cao, ñieàu naøy coù theå ñöôïc giaûi thích laø do maãu C1 coù ñoä tinh theå hoùa cao. Ngoaøi ra keát quaû treân baûng 3.8 cuõng cho thaáy söï thay ñoåi hoaït tính quang hoaù töông öùng vôùi söï thay ñoåi kích thöôùc tinh theå cuûa caùc maãu TiO2, nhìn chung hoaït tính quang hoaù taêng daàn cuøng vôùi söï phaùt trieån tinh theå anatase döôùi 20nm, khi vöôït treân giaù trò naøy, hoaït tính quang hoaù suy giaûm nhanh choùng cuøng vôùi söï phaùt trieån kích thöôùc tinh theå anatase. AÛnh TEM vaø haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå trung bình ñöôïc trình baøy treân hình 3.7. 44 0 1 2 3 4 0 10 20 30 40 50 Kích thöôùc tinh theå(nm) So á ti nh th eå TiO2-C3 0 1 2 3 4 0 10 20 30 40 50 60 Kích thöôùc tinh theå (nm) So á ti nh th eå TiO2-C2 0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 Kích thöôùc tinh theå(nm) So á ti nh th eå TiO2-C1 45 Hình 3.7: AÛnh TEM vaø haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå cuûa caùc saûn phaåm TiO2 cuûa quaù trình toái öu hoùa. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 Kích thöôùc tinh theå(nm) So á ti nh th eå TiO2-C6 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 Kích thöôùc tinh theå(nm) So á ti nh th eå TiO2-C5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 Kích thöôùc tinh theå(nm) So á ti nh th eå TiO2-C4 46 Döïa treân keát quaû aûnh TEM vaø haøm phaân boá kích thöôùc tinh theå trung bình ta nhaän thaáy caùc maãu C1, C4, C5, C6 coù phaân boá kích thöôùc haït ñeàu vaø taäp trung, ñieàu naøy theå hieän qua khaû naêng quang hoùa cao ôû caùc maãu naøy. Toùm laïi, khi kích thöôùc tinh theå trung bình taêng thì dieän tích beà maët rieâng giaûm vaø daãn ñeán laøm giaûm hoaït tính quang hoùa cuûa xuùc taùc. Khi xem xeùt aûnh höôûng cuûa kích thöôùc haït cuûa caùc maãu TiO2 ñeán hoaït tính quang hoùa, ta nhaän thaáy raèng toàn taïi moät kích thöôùc haït toái öu taïi ñoù maãu TiO2 coù ñoä tinh theå hoùa cao nhaát seõ cho hoaït tính quang hoùa cao nhaát. Cuï theå trong tröôøng hôïp naøy, maãu C1 vôùi kích thöôùc haït 19,5nm vaø dieän tích beà maët rieâng 27,1m2/g cho hoaït tính quang hoùa cao nhaát. 3.4. Pin maët trôøi DSSC. Trong thöïc teá, hieäu öùng quang hoaù cuûa nano TiO2 ñöôïc öùng duïng trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau: xuùc taùc quang hoaù xöû lyù moâi tröôøng, lôùp phuû töï laøm saïch, pin maët trôøi... Tuyø thuoäc lónh vöïc öùng duïng, quaù trình ñieàu cheá ñöôïc kieåm soaùt ñeå khai thaùc hieäu öùng quang hoaù theo muïc ñích öùng duïng cuï theå. Ñeå khaúng ñònh laïi keát quaû toái öu hoùa döïa treân ñaùp öùng laø hieäu suaát quang phaân huûy thuoác nhuoäm RO16. Caùc saûn phaåm toái öu hoùa cuûa quaù trình xöû lyù nhieät ñöôïc öùng duïng trong cheá taïo pin maët trôøi DSSC. Qui trình cheá taïo vaø caùc hoùa chaát söû duïng trong cheá taïo pin maët trôøi DSSC ñöôïc moâ taû cuï theå ôû chöông 2. 47 Baûng 3.9: Moät soá keát quaû thöïc nghieäm ño ñöôïc treân pin DSSC Loại DSSC VOC [V] JSC [mA/cm2] FF [%] η [%] DSSC-C5 0.71 3.34 0.44 0.99 DSSC-C4 0.7 3.19 0.49 1.10 DSSC-C6 0.7 3.5 0.48 1.14 DSSC-C1 0.73 4.98 0.54 1.96 DSSC-C3 0.67 4.21 0.39 1.27 DSSC-C2 0.66 2.54 0.33 0.55 DSSC-P25 0.76 10.3 47.3 3.7 Döïa treân hieäu suaát chuyeån hoùa naêng löôïng cuûa pin DSSC ñöôïc trình baøy trong baûng 3.9. Keát quaû naøy töông ñoái truøng khôùp vôùi keát quaû quang phaân huûy thuoác nhuoäm RO16. Khi thay ñoåi caùc ñieàu kieän xöû lyù nhieät, caùc maãu pin DSSC vôùi ñieän cöïc laøm vieäc söû duïng caùc boät TiO2 töông öùng ñeàu chuyeån hoùa naêng löôïng aùnh saùng thaønh ñieän naêng vôùi caùc hieäu suaát khaùc nhau vaø hieäu suaát ñaït cöïc ñaïi vôùi maãu C1 ñöôïc xöû lyù ôû nhieät ñoä 675oC vaø 120 phuùt, töông öùng nhö hieäu quaû quang phaân huûy thuoác nhuoäm RO16. Nhö vaäy, döïa treân keát quaû kieåm chöùng vôùi pin DSSC ñaõ khaúng ñònh theâm giaù trò cuûa quaù trình toái öu hoùa. Moái lieân heä giöõa caùc ñaëc tröng hoùa lyù cuûa saûn phaåm ñeán tính chaát quang hoùa cuûa TiO2 ôû caû hai quaù trình coù theå ñöôïc xem laø töông ñoàng. Hình aûnh beà maët vaø maët caét ngang cuûa ñieän cöïc pin DSSC söû duïng maãu C1, vaø P25 ñöôïc moâ taû ôû hình 3.8. 48 Hình 3.8: AÛnh FE-SEM beà maët (traùi) vaø maët caét (phaûi) cuûa maãu C1((a) vaø (b)), P25((c) vaø (d)) Tuy nhieân khi so saùnh hieäu suaát chuyeån hoùa naêng löôïng cuûa maãu pin DSSC taïo duøng C1 vaø P25 laøm vaät lieäu baùn daãn trong maøng ñieän cöïc laøm vieäc thì maãu Pin P25 cho hieäu suaát chuyeån hoùa naêng löôïng aùnh saùng – ñieän naêng cao hôn raát nhieàu so vôùi maãu pin C1. Ñieàu naøy coù theå ñöôïc giaûi thích laø do söï keát tuï của các hạt nano TiO2 của maãu C1 tạo nên các khối TiO2 raát lôùn ñaõ laøm giaûm söï tieáp xuùc giöõa caùc khoái TiO2 vôùi nhau, laøm giaûm söï lieân keát xuyeân suoát giöõa caùc haït nano TiO2 trong maøng ñieän cöïc laøm taêng xaùc suaát taùi keát hôïp electron – loã troáng gaây toån thaát doøng photo-electron chuyeån ñieän töû ra beân ngoaøi vaø laøm hieäu suaát chuyeån hoùa naêng löôïng cuûa pin. (c) (d) (a) (b)

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf9.pdf
  • pdf1.pdf
  • pdf10.pdf
  • pdf11.pdf
  • pdf12.pdf
  • pdf2.pdf
  • pdf3.pdf
  • pdf4.pdf
  • pdf5.pdf
  • pdf6.pdf
  • pdf7.pdf
  • pdf8.pdf
  • jpgNguyenHiepHoa.jpg
Luận văn liên quan