1. SEMINAR MÔN HỌC
HÓA HỌC VÀ VẬT LIỆU XÚC TÁC
Chủ đề: Xúc tác quang hóa
Thực hiện: Tào Văn Thuận
2. KHÁI NIỆM XÚC TÁC QUANG HÓA
-Khái niệm xúc tác quang trong hoá học nó dùng để nói đến
những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc
tác và ánh sáng, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố
kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.
- Ví dụ: Phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của
ánh sáng thông qua TiO2.
3. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
-Phân loại: Xúc tác quang hóa đồng thể và xúc tác dị
thể
-Xúc tác đồng thể:
Trong quang xúc tác đồng thể, các chất phản ứng và xúc
tác quang tồn tại trong cùng một pha. Các chất xúc tác quang
đồng nhất được sử dụng phổ biến nhất bao gồm ozone và hệ
thống Fenton (Fe + và Fe + / H 2 O 2 ). .
Cơ chế tạo gốc hydroxyl bằng ozone có thể đi theo hai con
đường
4. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
-Phân loại: Xúc tác quang hóa đồng thể và xúc tác dị
thể
-Xúc tác đồng thể:
Hệ thống Fenton tạo ra các gốc hydroxyl theo cơ chế sau
Ưu điểm chính của quá trình này là khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời
với độ nhạy sáng lên tới 450nm, do đó tránh được chi phí cao của đèn UV
và năng lượng điện.
5. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Xúc tác dị thể: Xúc tác dị thể có chất xúc tác trong
một pha khác với các chất phản ứng
- Các giai đoạn của phản ứng xúc tác quang hóa dị
thể:
GĐ 1: Khuếch tán chất phản ứng tới bề mặt của xúc
tác;
GĐ 2: Các chất tham gia phản ứng được hấp phụ lên bề
mặt chất xúc tác;
GĐ 3: Vật liệu quang xúc tác hấp thụ photon ánh sáng,
electron chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích
thích với sự chuyển mức năng lượng của electron.
.
6. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
GĐ 4: - Phản ứng quang hóa được chia làm 2 giai đoạn
nhỏ: Phản ứng quang hóa sơ cấp trong đó các phân tử bị
kích thích (các phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp
vào phản ứng với các chất bị hấp phụ. Phản ứng quang hóa
thứ cấp, còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng
nhiệt đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai
đoạn sơ cấp.
GĐ5: Nhả hấp phụ các sản phẩm
GĐ6: - Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc
lỏng
.
7. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang:
-Có hoạt tính quang hoá.
-Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ
ánh sáng tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy.
- Có giá thành rẻ, dễ chế tạo, bền trong quá trình sử
dụng, dễ th hồi và không gây ô nhiễm
Các chất xúc tác quang phổ biến là các oxit và
chất bán dẫn kim loại chuyển tiếp,
8. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Cơ chế phản ứng quang hóa:
Khi được chiếu sáng có năng lượng photon (hυ)
thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng
cấm Eg (hv ≥ Eg), thì sẽ tạo ra các cặp electron
(e- ) và lỗ trống (h+ ). Các electron được
chuyển lên vùng dẫn (quang electron), còn các
lỗ trống ở lại vùng hoá trị. Các phân tử của chất
tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc
tác gồm hai loại:
• Các phân tử có khả năng nhận electron
(acceptor).
• Các phân tử có khả năng cho electron (donor).
9. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Cơ chế phản ứng quang hóa:
hυ + (SC) → e- + h+
A(ads) + e- → A- (ads)
D(ads) + h+ → D+ (ads)
10. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Cơ chế phản ứng quang hóa TiO2:
11. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
SỰ HÌNH THÀNH GỐC OH* VÀ O2
-
Chính các gốc OH* và O2
- với vai trò quan trọng
ngang nhau có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ
thành H2O và CO2.
12. - Các giai đoạn của quá trình phản ứng với xúc tác dị thể:
Bước 1: Hấp thụ photon tạo thành cặp h+/e-
Catalyst + hv → e- + h+
Bước 2: Tương tác của cặp h+/e- với các chất trong
phản ứng dẫn đến tạo thành gốc tự do OH.:
h+ + RXad → RX+
ad
h+ + H2Oads → OHad
▪ + H+
h+ + OH-
ad → OH▪
ad
H2O → OHad
- + H+
e- + O2 → O2
-
O2
- + H+ → HO2
▪
H+ + O2
- + HO2
▪ → H2O2 + O2
Bước 3: Gốc OH▪ oxi hóa các chất hữu cơ gây ô nhiễm
(RXad) trên bề mặt vật liệu xúc tác.
H2O2 + hv → 2OH▪
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
13. - Các yếu tố chi phối tới tốc độ của phản ứng xúc tác quang
hóa: Lượng xúc tác (A)/ Độ dài bước sóng (B)/ Nồng độ chất
phản ứng (C)/ Cường độ bức xạ (D).
PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG HÓA
15. CÁC CHẤT SỬ DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC
- Một số muối của Ag: Ag3PO4: 2.43eV; Ag3AsO4: 1,88eV…
- Về nguyên tắc: Mọi chất đều có thể trở thành một chất xúc
tác quang hóa. Vấn đề đặt ra là tìm được một bước sóng phù
hợp để kích hoạt và hiệu quả hoạt động của nó.
- Hiện nay TiO2 được ứng dụng rộng nhất. Tuy nhiên, bước
sóng kích hoạt nằm trong vùng tử ngoại.
- Trộn thêm các nguyên tố khác: Fe, Pt, C, N, S… lên
TiO2 để giảm năng lượng kích hoạt.
- Sử dụng vật liệu xúc tác có NL kích hoạt trong vùng
khả kiến; Kết hợp với TiO2
16. ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG
➢ Thanh lọc không khí
➢ Thanh lọc nước
➢ Xử lý chất thải nguy hại
➢ Tự làm sạch các tòa nhà cao tầng
➢ Chống bám bẩn
➢ Khử mùi, diệt vi khuẩn
➢ Xúc tác trong tổng hợp hữu cơ
17. ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
THANH LỌC KHÔNG KHÍ
18. ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
XỬ LÝ CHẤT THẢI NGUY HẠI
19. ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
XỬ LÝ CHẤT THẢI NGUY HẠI
29. ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
ỨNG DỤNG TÁCH H2 TỪ H2O
30. PHƯƠNG PHÁPTỔNG HỢP XÚC TÁC QUANG
-Phương pháp thủy nhiệt, Phương pháp hóa
học, phản ứng trực tiếp
- Phương pháp vi sóng
-Phương pháp sấy đông lạnh
-Phương pháp nhiệt bốc hơi
-Phương pháp sol-gel hoặc nghiền cơ học
-Gần đây, phương pháp phun điện thế quay
được sử dụng như một bước tiến kỹ thuật mới
trong việc chế tạo ra các vật liệu compozit
dạng màng có cấu trúc sợi nano
31. PHƯƠNG PHÁPTỔNG HỢP XÚC TÁC QUANG
1
6
8
7
4
5
3
2
Cấu tạo máy phun điện thế quay
Electrospinning:
1. Bơm đẩy;
2. Xy-lanh;
3. Dung dịch phun;
4. Kim phun inox;
5. Chùm tia dung dịch;
6. Giọt dung dịch tích điện dương;
7. Tấm thu sợi nối với điện cực âm;
8. Bộ cấp nguồn cao thế.
Thiết bị phu điện thế quay tổng hợp sợi nano TiO2 có
tính chất quang hóa
