Xem mẫu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …………………………………………………….VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC  Huỳnh Anh Hoàng NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CACBON NANO ỐNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP XÚC TÁC LẮNG ĐỌNG HÓA HỌC PHA HƠI KHÍ DẦU MỎ HÓA LỎNG (LPG) VIỆT NAM Chuyên ngành Mã số : Hóa lý thuyết và Hoá lý : 62.44.31.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2012 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án - Tính cấp thiết của luận án: Vật liệu cacbon nano ống (CNT) được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: trong điện tử nano thường dùng bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp. CNT được dùng làm kính hiển vi quang học điện trường một chiều; trong lĩnh vực vật liệu, trước đây composit sợi cacbon nổi tiếng vì nhẹ, bền, ít bị tác dụng hóa học thì nay thay sợi cacbon bằng CNT làm vật liệu nhẹ hơn và ứng dụng vào các phương tiện cần giảm trọng lượng như máy bay; trong lưu trữ hydro áp dụng trong lĩnh vực pin nhiên liệu nhờ vào hiệu ứng “giữ” (effect confinement) bên trong các ống của CNT hoặc giữa các tấm graphen của CNF,.. Ở Việt Nam, việc sử dụng CNT trong nghiên cứu ứng dụng nêu trên đều phải đặt mua ở nước ngoài. Vì vậy, việc làm chủ được công nghệ tạo ra CNT từ nguồn cacbon LPG Việt Nam rất cần thiết. Mặt khác, từ nguồn CNT tự chủ được, có thể biến tính, tạo hạt CNT để nghiên cứu ứng dụng vào thực tế xử lý các chất hữu cơ độc hại cho môi trường và tăng khả năng lưu trữ khí CH4 là một hướng nghiên cứu cần thiết và có tính mới ở Việt Nam. Mục tiêu của luận án: (i) tiếp cận được công nghệ sản xuất ra vật liệu cacbon nano và tiến đến làm chủ được nó, nhằm tạo ra vật liệu cacbon nano mang nhãn hiệu Việt Nam mà không phụ thuộc vào nguồn cacbon nano từ nước ngoài. (ii) nghiên cứu ứng dụng bước đầu của vật liệu này vào lĩnh vực hấp phụ, xúc tác nhằm xử lý các chất hữu cơ độc hại gây ô nhiễm môi trường với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và một số ứng dụng của vật liệu cacbon nano ống bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) Việt Nam”. 2. Nội dung nghiên cứu của luận án - Chế tạo xúc tác Fe/γ-Al2O3 để phục vụ cho quá trình tổng hợp CNT. - Lắp đặt hệ thiết bị tổng hợp CNT trên hệ xúc tác Fe/γ-Al2O3 với nguồn cacbon từ etan và LPG theo phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD). - Nắm vững qui trình vận hành và các thông số tổng hợp CNT theo phương pháp CVD, tạo ra CNT có chất lượng ổn định. - Tạo hình CNT dạng hạt để nghiên cứu khả năng lưu trữ khí metan. 2 - Nghiên cứu ứng dụng bước đầu hấp phụ, xúc tác các chất hữu cơ độc hại trong môi trường. Trên cơ sở nội dung nghiên cứu của luận án, tác giả đề xuất qui trình sản xuất CNT qui mô nhỏ và làm chủ công nghệ tổng hợp CNT đi từ nguồn cacbon là etan và LPG sẵn có ở Việt Nam theo phương pháp CVD. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của CNT đối với phenol đỏ và khả năng oxy hóa phenol đỏ trên hệ xúc tác CNT và nghiên cứu khả năng tăng lưu trữ khí CH4. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án Việc tổng hợp thành công vật liệu CNT, một trong những vật liệu cơ bản nhất của công nghệ nano là cần thiết trong điều kiện nước ta hiện nay. Thành công của đề tài sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu các vật liệu nano có tính chất khác nhau, cho phép chúng ta tiếp cận đến các kết quả và các điều kiện nghiên cứu tiên tiến trên thế giới về công nghệ nano. Từ các kết quả nghiên cứu được, có thể rút ra các điểm mới của luận án là: (i) Bằng hệ xúc tác Fe/-Al2O3 có thể chế tạo được cacbon nano ống một cách hiệu quả và khả thi (nhiệt độ không cao, hiệu suất sản phẩm lớn) từ nguồn nguyên liệu LPG Việt Nam. (ii) Các đặc trưng vật lý, hóa lý và xúc tác, hấp phụ chứng tỏ vật liệu cacbon nano ống tổng hợp được có phẩm chất tốt (cấu trúc, kích thước, tính đồng nhất,..) và có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ, xúc tác cũng như xử lý môi trường. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 136 trang, được trình bày trong các phần: Mở đầu: 3 trang; chương 1. Tổng quan: 36 trang; chương 2. Thực nghiệm: 21 trang; chương 3. Kết quả và thảo luận: 60 trang; kết luận và kiến nghị: 3 trang; danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án: 3 trang và tài liệu tham khảo: 10 trang. B. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chƣơng 1 Tổng quan Đã tập hợp 104 tài liệu tham khảo về các nội dung và đối tượng nghiên cứu của luận án gồm: Các phương pháp tổng hợp CNT; cơ chế hình thành CNT; qui hoạch thực nghiệm để xác định các điều kiện tối ưu của quá trình tổng hợp CNT; mô hình hóa quá trình tổng hợp CNT bằng phần 3 mềm COMSOL Multiphysics; biến tính và tạo hạt CNT; phương pháp hấp phụ, xúc tác và rút ra kết luận như sau: - Làm chủ qui trình tạo ra CNT có độ ổn định cao từ nguồn cacbon trong nước với chi phí thấp và dễ nhân rộng qui mô sản xuất. - CNT có nhiều tính chất ưu việt, trong hấp phụ, xúc tác các tâm hoạt động có thể bên trong ống hay phần bề mặt ngoài của CNT, CNT có đường kính mao quản trung bình nên có thể ứng dụng để hấp phụ, xúc tác các chất hữu cơ có kích thước lớn (phenol đỏ) - CNT có khả năng làm tăng lưu trữ khí H2, metan,.. Chƣơng 2 Thực nghiệm 2.1 Thực nghiệm 2.1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất γ-Al2O3, Alginat của hãng Merck; Fe(NO3)3.9H2O, HNO3, H2SO4, HF, NaOH, CaCl2, KMnO4, Phenol đỏ của Trung Quốc; bình khí hóa lỏng LPG, loại 13kg, cột áp 5.5kg/cm của Việt Nam; bình khí C2H6, loại 47kg, cột áp 200 kg/cm ; bình khí H2, loại 47kg, cột áp 200 kg/cm ; bình khí mẫu CH4 của Singapore và một số dụng cụ, vật liệu khác. 2.1.2 Thiết bị Thiết bị tổng hợp CNT: Tủ sấy và tủ sấy hút chân không, Memert, Đức; lò nung kiểu ống, ống quartz phản ứng, Nhật; máy khuấy cơ, máy khuấy từ gia nhiệt, cân kỹ thuật, máy cất nước 2 lần, máy rung siêu âm của Trung Quốc. Thiết bị phân tích gồm: máy Bruker D8 Advance X-Ray Diffractometer – Đức; máy phân tích phổ hồng ngoại Shimadzu IR, Nhật Bản; máy đo bề mặt riêng Micromeritics TriStar 3000 V6.07A, Mỹ và Quantachrome Nova Station A, Mỹ; máy phân tích nhiệt DTG-60H, Shimadzu, Nhật Bản; máy đo phổ tán sắc EDX và hiển vi điện tử quét S-4800, Hitachi, Nhật Bản; hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEM1010, Hàn Quốc; máy quang phổ LIUV-310S UV-Vis Spectrophotometer. 2.1.3 Thực nghiệm - Lắp đặt hệ thiết bị tổng hợp xúc tác Fe/-Al2O3 và CNT. - Tổng hợp xúc Fe(NO3)3.9H2O trong 2 giờ. tác Fe/-Al2O3 bằng phương lên chất mang -Al2O3, sấy ở pháp tẩm dung dịch 100oC, nung ở 450oC 4 - Tổng hợp xúc tác Cu/Ag/CNTbt với Cu:3% và Ag: 0.1% so với CNTbt sấy chân không ở 50-60 C trong 3h, nung ở 200 C. - Tổng hợp CNT từ nguồn cacbon là LPG và etan trên xúc tác Fe/-Al O ở nhiệt độ 650oC- 720oC trong thời gian 2 giờ. Xác định lượng CNT tạo thành trên đơn vị khối lượng xúc tác và nghiên cứu điều kiện tối ưu của quá trình tổng hợp. Khảo sát bề mặt CNT bằng hiển vi điện tử quét (SEM), xác định diện tích bề mặt riêng (BET) và đường kính CNT. - Biến tính CNT bằng axit HNO3đđ ở 600C trong 6giờ. Sau đó, pha loãng bằng nước khử ion và lọc rửa lại với nước cất nhiều lần thu được CNTbt. - Tạo hạt cacbon nano bằng kỹ thuật gen hoá dung dịch huyền phù cacbon nano-alginate nhỏ giọt vào dung dịch CaCl2 bão hòa. Sau thời gian 30 phút, các hạt được tách ra rửa sạch bằng nước cất và sấy ở 80 C trong 4h. Sau đó, nung phân huỷ alginate ở 400oC trong môi trường không khí, trong 5h và 600oC trong môi trường khí trơ (N2), trong 5 giờ. - Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ phenol đỏ trên CNTbt ở nhiệt độ 40 C với 4 nồng độ đầu khác nhau của phenol đỏ là 50 mg/l, 70 mg/l, 90 mg/l và 100mg/l. Sau những khoảng thời gian nhất định dung dịch phenol đỏ được trích ra và đo độ hấp thụ quang, từ đó xác định nồng độ phenol đỏ. - Nghiên cứu oxy hóa phenol đỏ bằng H2O2 trên xúc tác Cu/Ag/CNTbt với nồng độ phenol đỏ ban đầu 100mg/l. Sau những khoảng thời gian nhất định (10, 20, 30, 40, 50, 60 phút) dung dịch phenol đỏ được lấy ra khỏi hỗn hợp phản ứng để xác định nồng độ. - CNT sau khi tạo hạt cho vào bình lưu trữ. Ở cùng chế độ lưu trữ 35 bar, nhiệt độ 25oC, xác định lượng khí mêtan thoát ra khỏi bình lưu trữ trong trường hợp bình trống và khi có CNTbt. Sau đó, tính toán khả năng tăng lưu trữ của CNTbt. 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Xác định tính chất của vật liệu CNT: Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo bề mặt riêng (BET), phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích nhiệt vi sai (TGA/DTA), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). 5 ... - tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn