Tổng hợp vật liệu composite Ag₃VO₄/BiVO₄ có hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng khả kiến

Nội dung text: Tổng hợp vật liệu composite Ag₃VO₄/BiVO₄ có hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng khả kiến

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE Ag3VO4/BiVO4 CÓ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CAO TRONG VÙNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN Đến tòa soạn 9-10-2019 Mai Hùng Thanh Tùng Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM, Việt Nam Đinh Thị Hồng Vân, Nguyễn Tấn Lâm, Trương Thanh Tâm, Nguyễn Thị Thu Phương, Cao Văn Hoàng, Nguyễn Văn Lượng, Nguyễn Thị Diệu Cẩm Trường Đại học Quy Nhơn Nguyễn Thị Phương Lệ Chi, Phạm Thanh Đồng, Nguyễn Minh Phương, Nguyễn Văn Nội Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội SUMMARY SYNTHESIS OF Ag3VO4/BiVO4 COMPOSITE WITH HIGH VISIBLE LIGHT PHOTOCATALYTIC ACTIVITY Ag3VO4/BiVO4 composites with different Ag3VO4/BiVO4 mass ratios were prepared. The crystal phase, optical properties, element composition and morphology,of the Ag3VO4/BiVO4 composites were characterized by X-ray diffraction (XRD), Ultraviolet–visible absorption spectroscopy (UV-vis), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and Scanning electron microscope (SEM). The result indicated that these obtained composites were more active than Ag3VO4 and BiVO4 in photodegradation of aqueous tetracycline hydrochloride (TC) under visible light irradiation. Ag3VO4/BiVO4 with an Ag3VO4/BiVO4 mass ratio of 20% showed the highest photocatalytic activity. The improved photocatalytic activity of Ag3VO4/BiVO4 can be attributed to the efficient separation of photogenerated electron-hole pairs. A possible photocatalytic mechanism is proposed. Keywords: Ag3VO4, BiVO4, visible light, photodegradation, tetracycline hydrochloride , separation. •- 1. ĐẶT VẤN ĐỀ để khử O2 thành gốc O2 [1]. Bên cạnh đó, Nhiều chất xúc tác bán dẫn có khả năng hoạt BiVO4 với năng lượng vùng cấm khoảng 2,4 động trong vùng ánh sáng khả kiến như eV cũng đã thu hút được sự chú ý lớn và được Ag3VO4, AgI, g-C3N4, BiVO4, MoS2, [1-5] kỳ vọng sẽ là một trong những chất có thể thay đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều thế TiO2 do hoạt tính quang xúc tác của nó cao nhà khoa học trong và ngoài nước. Trong số dưới ánh sáng nhìn thấy, quy trình điều chế đó, Ag3VO4 và BiVO4 được biết đến như là đơn giản, thân thiện với môi trường. Tuy những chất bán dẫn quan trọng, đã thu hút nhiên, điểm đáng lưu ý là BiVO4 chỉ có thế oxi nhiều sự chú ý trong việc ứng dụng làm chất hóa ở vùng hóa trị phù hợp để oxi hóa nước xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ gây ô thành gốc HO• – là một tác nhân oxi hóa mạnh nhiễm và phân tách nước trong vùng ánh sáng các chất hữu cơ khó phân hủy [8-10]. Tuy khả kiến [6-7]. Ag3VO4 có nhiều lợi thế như có nhiên, Ag3VO4 và BiVO4 đều có nhược điểm năng lượng vùng cấm hẹp (khoảng 2,0 eV) khả cố hữu là tốc độ tái tổ hợp nhanh các cặp điện năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng khả tử và lỗ trống quang sinh, dẫn đến hiệu suất kiến và đặc biệt có thế khử ở vùng dẫn phù hợp quang xúc tác không cao. Để khắc phục nhược 100
2. o điểm này của vật liệu Ag3VO4 và BiVO4, nhiều nước cất. Sấy khô sản phẩm ở 60 C trong 24 nghiên cứu hiện nay về vật liệu này là tập trung giờ, thu được vật liệu Ag3VO4. chủ yếu vào việc biến tính chúng nhằm tạo ra 2.1.3. Tổng hợp vật liệu composite các vật liệu composite như tổ hợp chúng với Ag3VO4/BiVO4 các chất bán dẫn khác: Ag3VO4/AgI, Lấy một lượng BiVO4 cốc chứa 20 mL nước Ag3VO4/Bi2WO6 [2, 6], BiVO4/ -Fe2O3, cất, đem siêu âm trong 20 phút. Sau đó cho BiVO4/P25, BiVO4/V2O5, Ag/C3N4/BiVO4, một lượng Ag3VO4 vào hỗn hợp trên theo tỉ lệ [11-14]. Kết quả phân hủy các chất hữu cơ ô khối lượng Ag3VO4 : BiVO4 xác định. Hỗn hợp nhiễm trên các vật liệu composite trên cho thu được đem siêu âm trong 20 phút để có sự thấy, hoạt tính quang xúc tác của vật liệu phân tán đồng nhất và khuấy dung dịch trên composite vượt trội hơn nhiều so với vật liệu trong 7 giờ ở điều kiện thiếu ánh sáng. Sản Ag3VO4 và BiVO4 riêng lẻ. phẩm sau khi khuấy đem li tâm, rửa sạch bằng Để khắc phục nhược điểm của từng vật liệu nước nhiều lần và sấy khô tại nhiệt độ 60 oC riêng lẻ, trong nghiên cứu này, vật liệu trong 12 giờ, thu được vật liệu composite Ag3VO4 được lai ghép với BiVO4 để tạo ra một Ag3VO4/BiVO4, mẫu vật liệu thu được ký hiệu hệ vật liệu composite thế hệ mới có hoạt tính AB-x, với x là tỉ lệ khối lượng Ag3VO4: BiVO4 quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng nhìn (x = 5; 10; 20; 30%). thấy. 2.2. Đặc trưng vật liệu 2. THỰC NGHIỆM Khảo sát hình ảnh bề mặt bằng phương pháp 2.1. Tổng hợp vật liệu hiển vi điện tử quét (JEOL JSM-6500F). Thành 2.1.1. Tổng hợp vật liệu BiVO4 phần pha được xác định bằng phương pháp Cho 5 mmol Bi(NO3)3.5H2O tan hoàn toàn nhiễu xạ tia X (D8-Advance 5005). Khả năng trong 10 mL axit nitric. Đồng thời lấy 5 mmol hấp thụ ánh sáng của xúc tác được đặc trưng NH4VO3 hòa tan trong 60 mL nước nóng bằng phổ hấp thụ UV-Vis (3101PC Shimadzu). (khoảng 80 oC) và khuấy liên tục. Trộn hai 2.3. Thí nghiệm phân hủy TC dung dịch trên, siêu âm trong 20 phút, khuấy Cho 0,04 g xúc tác và 80 mL dung dịch TC liên tục trong 30 phút thu hỗn hợp nhão màu 10 mg/L vào cốc 250 mL, dùng giấy bạc bọc vàng, sau đó điều chỉnh đến pH 9 bằng dung kín cốc sau đó khuấy đều cốc trên máy khuấy dịch NH3. Hỗn hợp bột nhão tiếp tục được từ trong 90 phút để cho quá trình hấp phụ - giải khuấy liên tục trong 2 giờ ở điều kiện phòng, hấp phụ cân bằng. Gỡ giấy bạc và tiếp tục đem thủy nhiệt trong bình Teflon, quá trình khuấy đều cốc hở dưới điều kiện ánh sáng đèn thủy nhiệt được duy trì ở 140 oC trong 20 giờ. led (220V - 30W). Sau thời gian tương ứng 15; Mẫu thu được đem ly tâm, rửa bằng etanol và 30; 45; 60; 75; 90 và 105 phút, mẫu được đem nước khử ion, sấy khô trong không khí ở 60 oC ly tâm (tốc độ 6000 vòng/phút trong 15 trong 12 giờ, nung ở nhiệt độ 600 oC trong 2 phút), nồng độ TC còn lại được xác định bằng giờ với tốc độ gia nhiệt 5 oC/phút thu được vật phương pháp trắc quang ở bước sóng 355 nm liệu BiVO4 [14]. trên máy UV – Vis (CE-2011). 2.1.2. Tổng hợp vật liệu Ag3VO4 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cho 0,174 gam AgNO3 tan hoàn toàn trong 3.1. Đặc trưng vật liệu 150 mL nước cất có nhỏ 1 giọt axít HNO3 và Để xác định các hợp phần trong vật liệu tổng khuấy liên tục trong 60 phút ở nhiệt độ phòng. hợp, các vật liệu Ag3VO4, BiVO4 và các Sau đó, thêm từ từ dung dịch NaOH 5M vào composite AB-05, AB-1, AB-2, AB-3 được hỗn hợp trên để điều chỉnh độ pH của dung đặc trưng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, dịch là 10. Sau đó, lấy 0,04 gam NH4VO3 hòa kết quả được trình bày ở Hình 1. tan trong 20 mL nước cất đưa vào hỗn hợp trên và tiếp tục khuấy trong 60 phút. Mẫu thu được đem sản phẩm đi ly tâm và rửa kết tủa bằng 101
3. Hình 2. Phổ hấp thụ UV-Vis của các vật liệu Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật Ag3VO4, BiVO4 và các vật liệu composite AB- liệu Ag3VO4, BiVO4 và các composite AB-05, 05, AB-1, AB-2, AB-3 AB-1, AB-2, AB-3 Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ở Hình 1 của các vật liệu Ag3VO4, BiVO4 và các composite AB-05, AB-1, AB-2, AB-3 cho thấy, trên giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Ag3VO4, xuất hiện đỉnh có cường độ mạnh tại góc nhiễu xạ 31,0o; 32,4o và các đỉnh có cường độ thấp hơn ứng với Ag3VO4 ở dạng cấu trúc pha tinh thể monoclinic (theo thẻ chuẩn JCPDS 45-0543) [15]. Đối với giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu BiVO4 xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ở khoảng 2θ bằng 28,82o và 30,6o lần lượt tương ứng với mặt tinh thể (112) và (004), một số đỉnh nhiễu xạ có cường độ thấp hơn ở vị trí Hình 3. Sự phụ thuộc hàm Kubelka-Munk theo 34,51o; 48,43o; 54,20o và 60,21o lần lượt tương năng lượng ánh sáng bị hấp thụ của vật liệu ứng với mặt tinh thể (002), (024), (116), (026) Ag3VO4, BiVO4 và các vật liệu composite AB- đặc trưng cho sự tồn tại của BiVO4 (Theo 05, AB-1, AB-2, AB-3 JCPDS: 019-1291) [10]. Trong khi đó, trên giản đồ XRD của các vật liệu composite AB- Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis mẫu rắn cho thấy, 05, AB-1, AB-2, AB-3 xuất hiện các đỉnh vật liệu Ag3VO4 và BiVO4 đều có khả năng nhiễu xạ đặc trưng cho cả hai hợp phần vật liệu hấp thụ bức xạ ánh sáng vùng khả kiến với giá Ag3VO4 và BiVO4, điều này chứng tỏ vật liệu trị năng lượng vùng cấm theo phương pháp composite Ag3VO4/BiVO4 đã được điều chế Kubelka-Munk lần lượt là 2,12 và 2,37 eV thành công. (Hình 3 và Bảng 1). Để đánh giá khả năng hấp thụ bức xạ của các So với vật liệu Ag3VO4 và BiVO4, các vật liệu hợp phần riêng lẻ Ag3VO4, BiVO4 và các composite Ag3VO4/BiVO4 tổng hợp đều có bờ composite AB-05, AB-1, AB-2, AB-3, các vật hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh hơn các hợp liệu được đặc trưng bằng phương pháp UV-Vis phần BiVO4 nhưng yếu hơn Ag3VO4, tuy nhiên mẫu rắn, kết quả được trình bày ở Hình 2. sự kết hợp hai vật liệu riêng lẻ hứa hẹn sẽ làm giảm sự tái tổ hợp của cặp electron và lỗ trống 102
4. quang sinh. Kết quả ở Bảng 1 cho thấy, giá trị (c) năng lượng vùng cấm của vật liệu composite tổng hợp được hầu như giảm so với năng lượng vùng cấm của vật liệu BiVO4. Việc thay đổi giá trị năng lượng vùng cấm, cho phép dự đoán vật liệu composite tổng hợp được có hoạt tính quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhờ sự xúc tác hiệp trợ của cả hai hợp phần Ag3VO4 và BiVO4. Bảng 1. Năng lượng vùng cấm của các vật liệu Hình 4. Ảnh SEM của vật liệu Ag3VO4 (a), Ag3VO4, BiVO4 và các vật liệu composite AB- BiVO4 (b) và composite AB-2 (c) 05, AB-1, AB-2, AB-3 Từ ảnh SEM của mẫu vật liệu Ag3VO4, BiVO4 Vật liệu Năng lượng vùng cấm (eV) và composite AB-2 tổng hợp cho thấy, các hạt Ag3VO4 có dạng hình cầu, không đều, co cụm Ag3VO4 2,12 lại với nhau. Vật liệu BiVO4 có hình trụ dài BiVO4 2,37 không đều, nằm rời rạc. Đối với vật liệu AB-05 2,27 composite Ag3VO4/BiVO4 tổng hợp gồm các hạt Ag VO đã phủ lên các hạt BiVO thành AB-1 2,25 3 4 4 các tấm có dạng hình thoi. Điều này cho thấy, AB-2 2,20 cần có sự nghiên cứu về dung môi phân tán các AB-3 2,22 chất trong quá trình điều chế các hợp chất riêng lẻ cũng như vật liệu composite. Ảnh vi cấu trúc của vật liệu Ag3VO4, BiVO4 và 3.2. Hoạt tính quang xúc tác composite AB-2 điều chế, được đặc trưng bằng Để đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật phương pháp hiển vi điện tử quét. Kết quả liệu Ag3VO4, BiVO4 và các composite được trình bày ở Hình 4. Ag3VO4/BiVO4 tổng hợp được, thí nghiệm phân hủy TC được tiến hành. Kết quả độ (a) chuyển hóa TC được trình bày ở Hình 5. (b) Hình 5. Sự phụ thuộc C/Co của TC theo thời gian chiếu sáng trên các vật liệu Ag3VO4, BiVO4 và AB-05, AB-1, AB-2, AB-3 Kết quả ở Hình 5 chỉ ra rằng, khi so sánh hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu composite 103
5. - Ag3VO4/BiVO4 tổng hợp với vật liệu Ag3VO4, (Ag3VO4) + O2 → O2 BiVO4 riêng lẻ thì vật liệu composite tổng hợp - + - O2 + 2 H + e → H2O2 ở tỉ lệ khối lượng Ag3VO4/BiVO4 20% (AB-2) - - H2O2+ e → OH + OH có hoạt tính phân hủy TC cao hơn so với vật • + (BiVO4) + H2O HO + H liệu Ag3VO4 và BiVO4 riêng lẻ và cao nhất so với các vật liệu composite trong vùng khảo sát. TC + OH → CO2 + H2O Cụ thể, sau 105 phút xử lý thì hiệu quả phân hủy TC trên vật liệu vật liệu AB-2 đạt 67,87%, còn các vật liệu BiVO4, Ag3VO4, AB-05, AB- 1, AB-3 đạt hiệu suất lần lượt là 43,74%; 47,94%; 56,25% và 50,64%. Điều này được giải thích là do tốc độ tái tổ hợp của cặp electron và lỗ trống quang sinh của vật liệu AB-2 thấp hơn so với các vật liệu composite ở các tỉ lệ Ag3VO4/BiVO4 khác dẫn đến tăng hoạt tính quang xúc tác. Kết quả thu được cũng chỉ ra rằng, tỉ lệ khối lượng Ag3VO4/BiVO4 trong Hình 6. Cơ chế xúc tác quang của vật liệu vật liệu composite là một yếu tố quan trọng cần composite Ag3VO4/BiVO4 phải khảo sát để tổng hợp được vật liệu xúc tác 4. KẾT LUẬN quang có hoạt tính cao trong vùng ánh sáng Đã tổng hợp thành công vật liệu composite nhìn thấy. Ag3VO4/BiVO4 bằng phương pháp thủy nhiệt 3.3. Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trên vật kết hợp siêu âm. Vật liệu composite liệu composite Ag3VO4/BiVO4 Ag3VO4/BiVO4 tổng hợp có khả năng hấp thụ Do cả vật liệu Ag3VO4 và BiVO4 đều có năng mạnh ánh sáng khả kiến so với từng hợp phần lượng vùng cấm hẹp nên bị kích hoạt bởi ánh Ag3VO4 và BiVO4 riêng lẻ. Kết quả khảo sát sự sáng trong vùng nhìn thấy. Khi chiếu ánh sáng phân hủy TC trên xúc tác Ag3VO4, BiVO4 và trong vùng nhìn thấy thì có sự kích hoạt làm Ag3VO4/BiVO4 cho thấy, hiệu quả phân hủy phân tách cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu TC trên vật liệu composite Ag3VO4/BiVO4 đạt Ag3VO4 và BiVO4. Các điện tử từ vùng hóa trị 67,87% sau 105 phút xử lý, giá trị này cao hơn Ag3VO4 chuyển đến vùng dẫn và tham gia phản so với hiệu quả phân hủy TC trên vật liệu - ứng với O2 hòa tan trong nước sinh ra gốc O2 Ag3VO4 và BiVO4 trong vùng ánh sáng khả ngay tại vùng dẫn của Ag3VO4, một phần điện kiến do hạn chế sự tái tổ hợp của cặp điện tử và tử từ vùng dẫn của Ag3VO4 sẽ di chuyển đến lỗ trống quang sinh trong vật liệu composite. vùng dẫn của BiVO4. Trong khi đó, khi bị kích Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi hoạt bởi ánh sáng nhìn thấy, điện tử từ vùng Bộ Giáo dục & Đào tạo dưới đề tài cấp Bộ mã hóa trị của BiVO4 bị tách ra, di chuyển đến số B2019-DQN-562-04. vùng dẫn và sau đó chuyển xuống vùng hóa trị TÀI LIỆU THAM KHẢO Ag3VO4. Do đó, quá trình tái tổ hợp của 1. R. Konta, H. Kato, H. Kobayashi, and A. electron quang sinh và lỗ trống quang sinh Kudo, “Photophysical properties and được hạn chế tối đa do quá trình di chuyển của photocatalytic activities under visible light các electron quang sinh giữa hai vật liệu lai irradiation of silver vanadates”, Physical ghép Ag3VO4 và BiVO4. Lỗ trống ở vùng hóa Chemistry Chemical Physics, 14 -3061 (2003). trị của BiVO4 phản ứng với H2O tạo ra gốc 2. J. Zhang and Z. Ma, “Ag3VO4/AgI HO•. Cơ chế phản ứng có thể mô tả như sau: composites for photocatalytic degradation of dyes and tetracycline hydrochloride under Ag3VO4+ hν→ (Ag3VO4) + (Ag3VO4) visible light”, Mater. Lett, 216, 216 – 219 BiVO4+ hν→ (BiVO4) + (BiVO4) (2018). 104
6. 3. J. M. Hu, W. D. Cheng, S. P. Huang, D. Wu, activity”, Applied Catalysis B: Environmental, Z. Xie, "First-principles modeling of nonlinear 95, 335 – 347 (2010). optical properties of C3N4 polymorphs", 10. S. Singha, R. Sharma , B. R. Mehta, Applied Physics Letters, 89, 261117 – 261119 “Enhanced surface area, high Zn interstitial (2006). defects and band gap reduction in N-doped 4. M. Yan, Y. Wu, Y. Yan, X. Yan, F. Zhu, Y. ZnO nanosheets coupled with BiVO4 leads to Hua, and W. Shi, “Synthesis and improved photocatalytic performance”, Characterization of Novel BiVO4/Ag3VO4 Applied Surface Science, 411, 321 – 330 Heterojunction with Enhanced Visible-Light- (2017). Driven Photocatalytic Degradation of Dyes”, 11. R. Chen , C. Zhu , J. Lu , J. Xiao , Y. Lei, ACS Sustain. Chem. Eng, 4, 757 – 766 (2016). Z. Yu, “BiVO4/α-Fe2O3 catalytic degradation 5. A. S. Goloveshkin, I. S. Bushmarinov, N. of gaseous benzene: Preparation, D. Lenenko, M. I. Buzin, A. S. Golub and M. characterization and photocatalytic properties”, Y. Antipin, “Structural Properties and Phase Applied Surface Science, 427, 141 - 147 Transition of Exfoliated-Restacked (2017). Molybdenum Disulfide”, J. Phys. Chem. C, 12. X. Song, Y. Li, Z. Wei, S. Ye, D. 117, 8509 - 8515 (2013). Dionysiou, “Synthesis of BiVO4/P25 6. J. Zhang and Z. Ma, “Enhanced visible-light composites for the photocatalytic degradation photocatalytic performance of of ethylene under visible light”, Chemical Ag3VO4/Bi2WO6 heterojunctions in removing Engineering Journal, 314, 443 – 452 (2017). aqueous dyes and tetracycline hydrochloride”, 13. J. Su, X. X. Zou, G. D. Li, X. Wei, C. Yan, J. Taiwan Inst. Chem. Eng, 78, 212 – 218 Y. N. Wang, J. Zhao, L. J. Zhou, and J. S. (2017). Chen, “Macroporous V2O5/BiVO4 Composites: 7. R. Sharma, U. Ma, S. Singh, A. Verma, M. Effect of Heterojunction on the Behavior of Khanuja “Visible light induced bactericidal Photogenerated Charges”, Journal of Physical and photocatalytic activity of hydrothermally Chemistry, 115, 8064 – 8071 (2011). synthesized BiVO4 nano-octahedrals”, Journal 14. F. Chen, Q. Yang, Y. Wang, J. Zhao, D. of Photochemistry & Photobiology B: Biology, Wang, X. Li, Z. Guo, H. Wang, Y. Deng, C. 162, 266 - 272 (2016). Niu, G. Zeng, “Novel ternary heterojunction 8. H. M. Fan, D. J. Wang, L. L. Wang, H. Y. photcocatalyst of Ag nanoparticles and g-C3N4 Li, P. Wang, T. F. Jiang, T. F. Xie, nanosheets co modified BiVO4 for wider “Hydrothermal synthesis and photoelectric spectrum visible-light photocatalytic properties of BiVO4 with different degradation of refractory pollutant”, Applied morphologies: an efficient visible-light Catalysis B: Environmental, 205, 133 - 147 photocatalyst”, Applied Surface Science, 257, (2017). 7758 – 7762 (2011). 15. L.V. Xiaomeng, J. Wang, Z. Yan, D. Jiang, 9. N. C. Castillo, A. Heel, T. Graule, C. J. Liu, “Design of 3D h-BN architecture as Pulgarin “Flame-assisted synthesis of Ag3VO4 enhanced photocatalysis stabilizer and nanoscale amorphous and crystalline, spherical promoter”, Journal of Molecular Catalysis A: BiVO4 with visible-light photocatalytic Chemical, 146-153 (2016). 105