Tổng hợp, xác định cấu trúc và thử hoạt tính xúc tác chuyển hóa m-Xylen của NdVO4 và NdVO4:A3+ (A = Gd, Bi)

 8 
Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 20, Số 2/2015 
 TỔNG HỢP, XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ THỬ HOẠT TÍNH XÚC TÁC 
CHUYỂN HÓA m-XYLEN CỦA NdVO4 và NdVO4:A
3+
 (A = Gd, Bi) 
Đến tòa soạn 29 – 5 – 2014 
Nguyễn Văn Hải 
Khoa Hóa học - Trư ng Đại học Sư phạm Hà Nội 
SUMMARY 
SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND m-XYLENE DECOMPOSITION 
CATALYST OF NdVO4 AND NdVO4:A
3+
 (A = Gd, Bi) 
NdVO4 and NdVO4:A
3+
 (A = Gd, Bi) was synthesized by the combustion technique and 
characterized by X-ray diffraction, UV-vis spectroscopy, energy dispersion by X-rays, 
scanning electron microscopy and BET surface area analyzer. The degradation of m-
xylene was studied over NdVO4 and NdVO4:A
3+
 compounds. The amount of A 
substituted was studied at 5%. All the compounds showed high oxidative activity 
towards m-xylene degradation, especially NdVO4. 
Keywords: Neodymium vanadate, m-xylene, combustion technique. 
1. MỞ ĐẦU 
Hiện nay, việc xử lí các khí thải gây ô 
nhiễm đã trở thành một vấn đề toàn 
cầu [1]. 
Để làm giảm sự ô nhiễm không khí, các 
nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc 
chuyển hóa các chất độc hại thành các 
chất không độc hại. Hiệu quả của các 
quá trình chuyển hóa đó lại phụ thuộc 
vào hoạt tính của chất xúc tác đƣợc sử 
dụng. 
Về mặt xúc tác, vật liệu nano NdVO4 đã 
và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Khi 
thay thế một phần Nd trong NdVO4 
bằng nguyên tố chuyển tiếp họ d hoặc 
nguyên tố đất hiếm khác sẽ tạo thành vật 
liệu pha tạp NdVO4:A
3+
 có tính chất 
phát quang và xúc tác quang [2, 4-8]. 
Bên cạnh đó, các vật liệu vanađat còn 
thể hiện khả năng xúc tác phong phú [9-
11]. Trong chuyển hóa khí thải, xúc tác 
đƣợc tập trung nghiên cứu là hệ vật liệu 
 9 
provskite [1, 3], các vật liệu kiểu 
vanađat còn ít đƣợc nghiên cứu. Do vậy, 
trong nghiên cứu này, vật liệu nano 
NdVO4 và NdVO4: A
3+
 (A = Gd, Bi) 
đƣợc tổng hợp và thử hoạt tính xúc tác 
chuyển hóa m-xylen, một chất dễ bay 
hơi, độc hại và khá bền. 
2. THỰC NGHIỆM 
1. Tổng hợp và xác định cấu trúc 
Tất cả các vật liệu NdVO4 và 
NdVO4:A
3+
 ( = Gd, Bi) đƣợc tổng hợp 
bằng phƣơng pháp đốt cháy [2, 4]. 
Nguyên liệu ban đầu đƣợc chuẩn bị 
bằng cách pha trộn các dung dịch neodim 
nitrat, amoni vanađat, A(III) nitrat và 
glyxin. Tỉ lệ mol của neodim, amoni 
vanađat, (III) nitrat và glyxin đây là 
chất đốt cháy lần lƣợt bằng (1-x) : 1 : x : 
2 (x là % nguyên tử pha tạp). Trong 
nghiên cứu này, tỉ lệ pha tạp ion A3+ 
bằng 5% (x = 0,05). Dung dịch ban đầu 
đƣợc cô cạn và đƣợc nung sơ bộ ở 
500
0
C. Các vật liệu nano oxit phức hợp 
NdVO4 và NdVO4:A
3+
 đƣợc hình thành 
do quá trình nung xảy ra sự đốt cháy các 
gốc nitrat và glyxin, kèm theo tỏa nhiệt 
rất mạnh. 
Các vật liệu nano NdVO4 và NdVO4:A
3+
đƣợc xác định cấu trúc bằng phƣơng 
pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng 
ngoại (IR), chụp ảnh bằng kính hiển vi 
điện tử quét (SEM), chụp phổ tán sắc 
năng lƣợng tia X (EDX) và đo diện tích 
bề mặt riêng (BET). Giản đồ nhiễu xạ tia 
X đƣợc ghi trên máy Siemens D5000 
với bức xạ CuKα trong vùng 2θ từ 10-
80
0
. Ảnh SEM của vật liệu đƣợc ghi trên 
máy Hitachi S4800. 
2. Khảo sát hoạt tính xúc tác 
Hoạt tính xúc tác của vật liệu trong phản 
ứng oxi hóa m-xylen đƣợc nghiên cứu 
trên hệ thiết bị vi dòng với các điều kiện 
phản ứng nhƣ sau: 
Khối lƣợng mẫu xúc tác là 0,2 gam và 
đƣợc hoạt hóa ở 400oC trong 2 giờ. 
Lƣu lƣợng khí m-xylen là 2 lít/giờ (bình 
nguyên liệu đƣợc giữ ở 0oC). 
Áp suất tổng cộng của dòng khí phản 
ứng và khí mang bằng 760 mmHg. 
Hàm lƣợng m-xylen trong dòng khí tổng 
là 2165 ppm theo thể tích. 
Nhiệt độ phản ứng từ 300 - 400oC. 
3. KẾT QUẢ V THẢO LUẬN 
1. Khảo sát điều kiện tổng hợp 
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ: 
Vật liệu NdVO4 đƣợc nung ở các nhiệt 
độ 500, 600 và 7000C, sau đó đƣợc xác 
định cấu trúc bằng phƣơng pháp XRD 
(hình 1). 
 10 
Hình 1. Giản đồ XRD của vật liệu 
NdVO4 nung ở các nhiệt độ 500, 600 và 
700
0
C. 
Hình 1 cho thấy, ở 600 và 7000C tinh thể 
vật liệu đã đƣợc hình thành đơn pha, nền 
nhiễu xạ thấp. Trong nghiên cứu, các 
mẫu NdVO4:A
3+
 đều đƣợc nung ở nhiệt 
độ 6000C trong 1 giờ. 
+ Ảnh hưởng của tỉ lệ mol vanadat và 
glyxin: 
Tỉ lệ mol vanadat và glyxin đƣợc nghiên 
cứu tƣơng ứng là 1 : k (k = 2  5). Khi k 
= 2, vật liệu tổng hợp đơn pha, nền 
nhiễu xạ thấp. Khi k tăng, cấu trúc tinh 
thể của vật liệu không ổn định, nền 
nhiễu xạ cao. Nhƣ vậy, khi tăng lƣợng 
glyxin làm chất đốt cháy, quá trình oxi 
hóa - khử tỏa nhiệt rất mạnh, tốc độ hình 
thành tinh thể nhanh dẫn đến cấu trúc 
tinh thể không ổn định. Nhƣ vậy, k = 2 
là điều kiện thích hợp để tổng hợp vật 
liệu. 
2. Xác định cấu trúc vật liệu 
Trƣớc hết, cấu trúc các vật liệu đƣợc xác 
định bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. 
Trên giản đồ XRD của NdVO4 và 
NdVO4:A
3+
, tất cả các vạch nhiễu xạ 
đều trùng với cấu trúc kiểu zircon với 
nhóm đối xứng I41/amd. 
Ngoài ra, giản đồ XRD của NdVO4:A
3+ 
cho thấy các vật liệu đƣợc tổng hợp là 
đơn pha, bƣớc đầu cho thấy các nguyên 
tố pha tạp đã đi vào nền tinh thể, thay 
thế một phần neodim trong mạng chủ 
NdVO4. 
Hình 2. Giản đồ XRD của các vật liệu 
NdVO4:A
3+
 (A
3+ 
= Gd, Bi) 
Từ giản đồ XRD, kích thƣớc trung bình 
của tinh thể cũng đƣợc xác định theo 
công thức Scherrer (bảng 1). Kết quả 
cho thấy, sự pha tạp có làm thay đổi 
kích thƣớc trung bình của tinh thể và vật 
liệu có kích thƣớc tinh thể nhỏ nhất là 
NdVO4:Bi
3+
. 
 11 
Bảng 1. Kích thước tinh th trung bình 
(a) của các vật liệu tổng hợp 
Mẫu NdVO4 NdVO4:Gd
3+
 NdVO4:Bi
3+
a, nm 45,3 49,3 44,6 
Tiếp theo, các nguyên tố trong thành 
phần của vật liệu đƣợc xác định bằng 
phép đo EDX (hình 3). Kết quả cho thấy 
có sự xuất hiện tín hiệu của các nguyên 
tố đúng nhƣ thành phần dự kiến. Điều 
này chứng tỏ các vật liệu đã đƣợc tổng 
hợp thành công, các nguyên tố pha tạp 
đã đi vào nền tinh thể. 
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
001
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C
o
u
n
ts
O
K
a
A
lK
a
S
iK
a
V
L
l
V
L
a
V
L
su
m
V
K
es
c
V
K
a
V
K
b
N
d
M
z
N
d
M
a
N
d
M
b
N
d
M
r
N
d
M
su
m
N
d
L
es
c
N
d
L
l
N
d
L
a
N
d
L
b
N
d
L
b
2
N
d
L
r
N
d
L
r2
NdVO4 
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
001
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C
o
u
n
ts
O
K
a
A
lK
a
V
L
l
V
L
a
V
L
su
m
V
K
es
c
V
K
a
V
K
b
N
d
M
z
N
d
M
a
N
d
M
b
N
d
M
r
N
d
M
su
m N
d
L
es
c
N
d
L
l
N
d
L
a
N
d
L
b
N
d
L
b
2
N
d
L
r
N
d
L
r2
G
d
M
z
G
d
M
a
G
d
M
r
G
d
L
l G
d
L
a
G
d
L
b
G
d
L
b
2
G
d
L
r
G
d
L
r3
NdVO4:Gd
3+
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
001
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C
o
u
n
ts
O
K
a
A
lK
a
V
L
l
V
L
a
V
L
su
m
V
K
es
c
V
K
a
V
K
b
N
d
M
z
N
d
M
a
N
d
M
b
N
d
M
r
N
d
M
su
m
N
d
L
es
c
N
d
L
l
N
d
L
a
N
d
L
b
N
d
L
b
2
N
d
L
r
N
d
L
r2
B
iM
z
B
iM
a
B
iM
b
B
iM
r
B
iL
l
NdVO4:Bi
3+
Hình 3. Giản đồ EDX của vật liệu 
NdVO4 và NdVO4:A
3+
. 
Để xác định thêm cấu trúc của vật liệu, 
phổ hồng ngoại của các vật liệu đã đƣợc 
ghi, hình 4 trình bày phổ IR của mẫu 
NdVO4. 
Phổ IR của vật liệu NdVO4 xuất hiện 
các vân hấp thụ nhọn, mạnh ở 791,2; 
853,6 cm
-1 tƣơng ứng với dao động của 
liên kết V-O (của nhóm 3-
4VO ), các vân 
423,1; 510,5; 572,9 cm
-1
 đƣợc quy cho 
dao động của liên kết Nd-O. 
Hình 4. Phổ IR của vật liệu NdVO4. 
Hình thái bề mặt và kích thƣớc hạt của 
vật liệu đã đƣợc xác định trên ảnh SEM 
(hình 5). Kết quả cho thấy các hạt có 
dạng hình cầu, phân bố tƣơng đối rời rạc 
với kích thƣớc hạt khá đồng đều trong 
khoảng 50-60 nm. 
Ảnh SEM cũng cho thấy có sự thay đổi 
nhỏ về kích thƣớc hạt của vật liệu pha 
tạp và không pha tạp. Kết quả này phù 
hợp với tính toán theo công thức 
Scherrer ở bảng 1. Ở tất cả các mẫu 
nghiên cứu, các hạt phân bố tƣơng đối 
tách rời nhau. Điều này sẽ làm tăng diện 
tích bề mặt riêng của vật liệu, từ đó làm 
tăng hoạt tính xúc tác. 
 12 
NdVO4 
NdVO4:Gd
3+
NdVO4:Bi
3+
Hình 5. Ảnh SEM của các vật liệu 
NdVO4 và NdVO4:A
3+
. 
Kết quả đo diện tích bề mặt riêng (σ) đối 
với các vật liệu tổng hợp đƣợc trình bày 
ở bảng 2. Kết quả cho thấy các vật liệu 
đều có diện tích riêng bề mặt khá lớn, từ 
đó có thể làm tăng hoạt tính xúc tác. 
Bảng 2. Diện tích bề mặt riêng của các 
vật liệu tổng hợp 
Mẫu 
NdV
O4 
NdVO4:G
d
3+
NdVO4:B
i
3+
σ, m
2
/
g 
34,8 35,5 19,3 
3. Hoạt tính xúc tác của vật liệu 
Trƣớc tiên, hoạt tính xúc tác của mẫu 
NdVO4 đƣợc khảo sát trong phản ứng 
chuyển hóa m-xylen trong khoảng nhiệt 
độ từ 300 đến 400oC. Kết quả đƣợc đƣa 
ra trên bảng 3 và hình 6. 
Bảng 3. Độ chuy n hóa m-xylen trên xúc 
tác NdVO4 ở nhiệt độ 300, 350 và 400
0
C 
Thời gian 
(phút) 
15 30 45 60 
Độ 
chuyển 
hóa 
(%) 
300
o
C 78,8 78,1 78,4 78,6 
350
o
C 91,3 89,3 89,4 89,3 
400
o
C 96,2 97,4 97,9 98,1 
 Kết quả ở bảng 3 và hình 6 cho thấy, 
chất xúc tác NdVO4 có ƣu điểm nổi bật 
là độ chuyển hóa m-xylen ổn định theo 
thời gian và thời gian bắt đầu có tác 
dụng xúc tác ngắn. Độ chuyển hóa có 
thể đạt gần 100% ở 400oC. 
Hình 6. Độ chuy n hóa m-xylen theo 
th i gian trên xúc tác NdVO4 ở 300, 350 
và 400
0
C. 
Kết quả khảo sát đối với mẫu 
NdVO4:Gd
3+
 và NdVO4:Bi
3+
 cho thấy 
độ chuyển hóa m-xylen ở 400oC lần lƣợt 
là 80% và 90% (bảng 4). 
Bảng 4. Độ chuy n hóa của m-xylen trên 
xúc tác NdVO4:Gd
3+
 và NdVO4:Bi
3+
 ở 
400
o
C 
Thời gian (phút) 15 30 45 60 
Độ 
chuyển 
hóa (%) 
YVO4:Gd
3+ 79,8 79,6 79,9 80,1 
YVO4:Bi
3+ 87,0 87,2 87,8 87,5 
 13 
Kết quả ở bảng 2 và 3 cho thấy, các vật 
liệu NdVO4 và NdVO4:A
3+
 đều có tác 
dụng xúc tác tốt để chuyển hóa m-xylen 
ở 400oC, trong đó mạnh nhất là mẫu 
NdVO4. 
4. KẾT LUẬN 
Trong nghiên cứu này, vật liệu nano 
NdVO4 và NdVO4:A
3+
 ( = Gd, Bi) đã 
đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp đốt 
cháy, ở nhiệt độ nung là 600oC, trong 1 
giờ. Các vật liệu thu đƣợc là đơn pha với 
kích thƣớc hạt trong khoảng 50-60 nm. 
Các vật liệu NdVO4 và NdVO4:A
3+
 đều 
có khả năng xúc tác cho phản ứng oxi 
hóa m-xylen, trong đó tốt nhất là NdVO4 
(chuyển hóa gần 100% m-xylen ở 
400
oC). Đây là một nhiệt độ tƣơng đối 
thấp, và vật liệu có tiềm năng ứng dụng 
vào thực tiễn để xử lí khí thải độc hại. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Lê Hải Đăng (2011), “Tổng hợp 
một số vật liệu perovskit kích thƣớc 
nanomet và nghiên cứu hoạt tính xúc tác 
oxi hóa của chúng”, Luận án Tiến sĩ 
Khoa học Hóa học, Trƣờng Đại học Sƣ 
phạm Hà Nội, Hà Nội. 
[2]. Nguyễn Vũ (2007), “Chế tạo và 
nghiên cứu tính chất quang của vật liệu 
nano Y2O3: Eu, Tb, Er, Yb”, Luận án 
Tiến sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa 
học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và 
Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 
[3]. Lucio Forni, I. Rossetti (2002). 
Catalytic combustion of hydrocarbons 
over perovskites. Applied Catalysis B: 
Environmental 38, 29-37. 
[4]. Parag A. Deshpande, Giridhar 
Madras (2010). Photocatalytic 
degradation of dyes over combustion-
synthesized Ce1−xFexVO4. Chemical 
Engineering Journal 158, 571-577. 
[5]. Mirela Dragomir, Iztok Arcon 
(2013). Phase relations and 
optoelectronic characteristics in the 
NdVO4-BiVO4 system. Acta Materialia 
61, 1126 - 1135. 
[6]. Jing Xu, Chenguo Hu, Gaobin 
Liu (2011). Synthesis and visible-light 
photocatalytic activity of NdVO4 
nanowires. Journal of Alloys and 
Compounds 509, 7968 - 7972. 
[7]. S. Jandla, Y. Lévesque, V. 
Nekvasil (2010). Raman active phonon 
and crystal-field studies of Yb
3+
 doped 
NdVO4. Optical Materials 32, 1549-
1552. 
[8]. Zhenfeng Zhun, Lian Zhang, Junqi 
Li (2013). Synthesis and photocatalytic 
behavior of BiVO4 with decahedral 
structure. Ceramics International 39, 
7461- 7465. 
[9]. Kuo-Tseng Li, Chen-Hwa Huang 
(2011). Hydrogen sulfide oxidation on 
RE (RE= Sm, Y, La)-V-Sb catalysts: 
Effects of RE size and 
electronegativity. Catalysis Today 174, 
25-30. 
[10]. S. Yuvaraj, R. Kalai Selvan, Vijay 
Bhooshan Kumar (2014). Sonochemical 
synthesis, structural, magnetic and grain 
size dependent electrical properties of 
NdVO4 nanoparticles. Ultrasonics 
Sonochemistry 21, 599-605. 
[11]. Agatino Di Paola, Elisa García-
López, Giuseppe Marcì, Leonardo 
Palmisano (2012). A survey of 
photocatalytic materials for 
environmental remediation. Journal of 
Hazardous Materials 211-212, 3- 29.