Luận văn thạc sĩ vật lý: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp TiO2CuO, khảo sát cấu trúc và tính chất quang của chúng

MỤC LỤCMỞ ĐẦU1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 VÀ TiO2CuO41.1.Tổng quan về TiO241.1.1.Cấu trúc tinh thể TiO241.1.2. Đặc trưng phổ hấp thụ và tính chất quang của TiO261.1.3. Tính chất quang xúc tác và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu TiO281.2. Tổng quan về vật liệu TiO2CuO131.2.1. Vài nét về tinh thể CuO131.2.2. Tổng quan về vật liệu TiO2CuO151.2.3. Những nghiên cứu về tính quang xúc tác và ứng dụng của vật liệu TiO2CuO191.3. Tóm lược về xanh metylen và cam metylen21CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM232.1. Tổng hợp mẫu TiO2CuO232.2. Thực nghiệm xử lý quang xúc tác242.3. Các phương pháp nghiên cứu252.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X262.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét272.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua282.3.4. Phương pháp phổ hấp thụ282.3.5. Phương pháp xác định khả năng phân hủy xanh metylen và cam metylen30CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN323.1. Phép đo phổ nhiễu xạ tia X333.2. Kết quả SEM và TEM373.3. Kết quả phổ hấp thụ393.4. Kết quả quang xúc tác43KẾT LUẬN50TÀI LIỆU THAM KHẢO51

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS TS.NGUYỄN VĂN KHÁNH, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốtquá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong tổ Vật lý chất rắn – Điện

tử, các thầy cô trong tổ Đại cương đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quátrình làm luận văn

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và bết ơn tới PGS TS Nguyễn Văn Minh đã tạomọi điều kiện cho tôi làm việc tại Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano –trường Đại học sư phạm Hà Nội

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Cao Khang và thầy ĐỗMinh Thành giảng viên khoa Vật lý những người thầy đã tận tình hướng dẫn tôitrong suốt quá trình làm thực nghiệm Luận văn cũng được hỗ trợ rất nhiều từ đề tài

“Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của vật liệu tổ hợp CuO/TiO2 ”

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, các anh chị nghiên cứusinh, các bạn học viên cao học, các em sinh viên làm việc tại Trung tâm Khoa học

và Công nghệ Nano – trường Đại học sư phạm Hà Nội, những người luôn chia sẻkinh nghiệm và đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm

Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè và những người thân, những người luôn ủng

hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Bùi Thị Thùy Ninh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 VÀ TiO2/CuO 4

1.1 Tổng quan về TiO2 4

1.1.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 4

1.1.2 Đặc trưng phổ hấp thụ và tính chất quang của TiO2 6

1.1.3 Tính chất quang xúc tác và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu TiO2 8

1.2 Tổng quan về vật liệu TiO2/CuO 13

1.2.1 Vài nét về tinh thể CuO 13

1.2.2 Tổng quan về vật liệu TiO2/CuO 15

1.2.3 Những nghiên cứu về tính quang xúc tác và ứng dụng của vật liệu TiO2/CuO 19

1.3 Tóm lược về xanh metylen và cam metylen 21

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 23

2.1 Tổng hợp mẫu TiO2/CuO 23

2.2 Thực nghiệm xử lý quang xúc tác 24

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 25

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 26

2.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 27

2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua 28

2.3.4 Phương pháp phổ hấp thụ 28

2.3.5 Phương pháp xác định khả năng phân hủy xanh metylen và cam metylen 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Phép đo phổ nhiễu xạ tia X 33

3.2 Kết quả SEM và TEM 37

3.3 Kết quả phổ hấp thụ 39

3.4 Kết quả quang xúc tác 43

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

MỞ ĐẦU

Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận với dung lượng

vô cùng lớn đang hiện hữu thường nhật trong cuộc sống của chúng ta mà tính đến nayvẫn chưa được khai thác hiệu quả Mỗi năm, năng lượng mặt trời ước tính khoảng 3.9triệu exajoule (3.9 x 1024 J), tuy nhiên nguồn năng lượng mặt trời được sử dụng chỉchiếm một phần nhỏ (chưa đến 1%) Việc tìm kiếm công nghệ thích hợp để sử dụnghiệu quả nguồn năng lượng mặt trời đã thôi thúc các nhà khoa học trong nhiều thập kỉqua Đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của đời sống cũng như của khoa học, việc nghiêncứu để tìm ra những vật liệu mới với những tính chất vượt trội vừa có khả năng ứngdụng cao, vừa thân thiện với môi trường và tận dụng được nguồn năng lượng mặt trờiđang là hướng nghiên cứu được các nhà khoa học quan tâm

Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng TiO2 là một trong những vật liệu có ứngdụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực môitrường TiO2 là bán dẫn có vùng cấm rộng, có tính quang xúc tác, trong suốt với ánhsáng nhìn thấy có chiết suất lớn và có độ bền cơ học cao [17] TiO2 là chất hoạtđộng mạnh có thể sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, phân hủy cácchất bám dính trên bề mặt, sử dụng để diệt khuẩn trong môi trường nước và khôngkhí [16, 20] Do có bề rộng vùng cấm rộng, TiO2 gần như chỉ hấp thụ bức xạ trongvùng tử ngoại [33] Đây là một hạn chế lớn vì bức xạ tử ngoại chỉ chiếm không quá5% năng lượng Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất nên hiệu ứng quang xúc tácngoài trời thường đạt hiệu suất thấp Mặt khác, ở chất bán dẫn đa tinh thể có kíchthước hạt lớn, các cặp điện tử - lỗ trống sinh ra khi TiO2 do được chiếu sáng cókhuynh hướng dễ tái hợp trở lại, dẫn đến hiệu suất lượng tử thấp [46] Mong muốntạo được các chất xúc tác hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhằm khai thácnguồn năng lượng Mặt trời đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhàkhoa học Nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng sự pha tạp V, Fe, Co, Pd, Cu [23] hoặc các nguyên tố phi kim như N, S, F [2, 10] vào vật liệu TiO2 không chỉ làmgiảm bề rộng dải cấm mà còn có khả năng tăng bắt giữ điện tử, ngăn chặn sự tái hợp

của cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng Điều này làm tăng hiệu quả quang xúc táccủa vật liệu TiO2 [21, 28].

Bên cạnh việc pha tạp kim loại, phi kim thì sự kết hợp oxit kim loại với TiO2như SnO2, WO3, Fe2O3, CuO cũng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học [14,

32, 35], trong đó TiO2 kết hợp với CuO đang được mở rộng nghiên cứu Do đồng oxit

là bán dẫn loại p có bề rộng vùng cấm hẹp (1,2 eV với CuO và 2,1 eV với Cu2O) nênkhi kết hợp đồng oxit với TiO2 có thể tạo ra các mức tạp chất làm giảm bề rộng vùngcấm của TiO2 Bên cạnh đó việc tổng hợp đồng oxít vào vật liệu còn có khả năng làmgiảm sự tái hợp giữa electron quang sinh ra và lỗ trống quang sinh, từ đó làm tăng hiệusuất quang xúc tác của TiO2 Các tài liệu cũng chỉ ra rằng tổ hợp TiO2/CuO là bền, dễkiểm soát được nồng độ CuO có trong vật liệu.[32, 34, 35]

TiO2 kết hợp với CuO đang dược các nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu và

đã có một số kết quả được công bố vào năm 2012, tuy nhiên hướng nghiên cứu nàyvẫn còn khá mới mẻ Xuất phát từ thực trạng xã hội, từ những tính chất thú vị củaTiO2 và dựa trên cơ sở trang thiết bị hiện có tại trung tâm khoa học và công nghệNano – trường Đại học sư phạm Hà Nội, tôi chọn lựa đề tài nghiên cứu cho luậnvăn này là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp TiO2/CuO, khảo sát cấu trúc và tínhchất quang của chúng”

Mục tiêu của luận văn

- Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp TiO2/CuO bằng phương pháp nhiệtphân, các mẫu khác nhau được tổ hợp bằng cách thay đổi khối lượng CuO

- Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang của các mẫu bột chế tạo được bằngcác phương pháp: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp kính hiển viđiện tử quét (SEM), phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phươngpháp phổ hấp thụ

- Thử nghiệm tính chất quang xúc tác của các mẫu tổ hợp được bằng việc

xử lý xanh metylen (MB) và cam metylen (MO)

Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài kiệu tham khảo, bố cục của luận văn gồm

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 VÀ TiO2/CuO

1.1 Tổng quan về TiO 2

1.1.1 Cấu trúc tinh thể TiO 2

Titan (Ti) là kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm IV chu kì IV trong bảng hệ thống

tuần hoàn Mendeleep, có nguyên tử khối là 47,88 (đvC), bán kính nguyên tử là 1,45 Å

và cấu hình electron là [Ar] 3d24s2 Trong các hợp chất trạng thái ôxi hóa đặc trưng của

Ti là +4 vì Ti+4 có cấu hình electron bền vững của khí trơ [Ar] Đây cũng chính là lí do

trong tự nhiên Titan tồn tại chủ yếu ở trạng thái Ti+4 Titan bền vững ở nhiệt độ thường,còn ở nhiệt độ cao nó phản ứng mạnh với oxy theo phương trình

TiO2 + O2  TiO2 (1.1)Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau Đến nay,các nhà khoa học đã công bố những nghiên cứu về 7 dạng thù hình của TiO2 gồm: 4dạng cấu trúc tự nhiên và 3 dạng là dạng tổng hợp Ba dạng thù hình phổ biến vàđược quan tâm hơn cả là rutile, anatase và brookite [30] Trong đó hai dạng tinh thểrutile và anatase thường được nghiên cứu và sử dụng trong xúc tác quang hóa, còndạng tinh thể brookite ít được quan tâm nghiên cứu do đây là vật liệu kém bền [12]

Hình 1.1 Các dạng thù hình khác nhau của tinh thể TiO 2 (A) pha rutile, (B) pha anatase, (C) pha brookite [ 22].

Hình 1.2 Cấu trúc ô sơ cấp của TiO 2 pha anatase và rutile [22]

Hình 1.2 minh họa cấu trúc ô sơ cấp của TiO2 pha anatase và rutile Cả haicấu trúc đều được mô tả gồm chuỗi bát diện TiO6 Bát diện này gồm một ion Ti4+được bao quanh bởi 6 ion O2- TiO2 ở pha anatase thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơnTiO2 ở pha rutile Cấu trúc bát diện trong cả hai pha anatase và rutile không đồngđều do có sự biến dạng sang hệ thoi, biến dạng này làm giảm tính đối xứng của tinh

thể [38] Khoảng cách Ti-Ti trong pha anatase (3,97 Å) lớn hơn trong pha rutile (3,57 Å) [29, 45], còn khoảng cách Ti-O thì ngược lại, đối với pha anatase là 1,934

Å và pha rutile là 1,949 Å [45] Trong pha rutile, mỗi bát diện tiếp giáp với 10 bát

diện lân cận (hai bát diện chung một cặp oxy ở biên và tám bát diện chung nhau 8nguyên tử oxy ở góc) Trong khi đó, ở pha anatase, mỗi bát diện tiếp giáp với támbát diện lân cận (4 bát diện chung nhau một cạnh và 4 bát diện chung nhau 1 góc)

Sự khác nhau trong cấu trúc mạng TiO2 này là nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau

về tính chất vật lí, tính chất hóa học giữa hai pha anatase và rutile [26]

Các thông số vật lí cơ bản các pha anatase, rutile và brookite của TiO2 đượctrình bày trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số thông số vật lí của tinh thể TiO 2 pha rutile, anatase và brookite

[23].

cNhóm không gian D4h14 P 4 /2 mnm D4h19 I 4 /1 amd D 2h15 Pbca

TiO2 trơ về mặt hóa học, có tính chất lưỡng tính, không tác dụng với nước,dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm, chỉ tác dụng với axit khi đun nóng lâu và tácdụng với kiềm nóng cháy TiO2 bị HCl, H2SO4 đặc nóng, kiềm đặc nóng phân hủy

Ở điều kiện thường, TiO2 là chất rắn màu trắng, cứng, khó nóng chảy và bền nhiệt Trong tự nhiên TiO2 không tồn tại ở dạng nguyên chất, nó tồn tại chủ yếutrong hợp kim (với Fe), trong khoáng chất và trong các quặng đồng

1.1.2 Đặc trưng phổ hấp thụ và tính chất quang của TiO 2

TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở ba dạng cơ bản: Rutile, Anatase, Brookite, trong

đó Anatase là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất

Bán dẫn TiO2 có vùng hóa trị đã được điền đầy electron, vùng dẫn hoàn toàntrống Nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm không có mức năng lượngnào Bề rộng vùng cấm của TiO2 pha rutile là 3,0 eV và pha anatase là 3,2 eV, do đóTiO2 chỉ hấp thụ các bức xạ trong vùng tử ngoại Đối với các tinh thể anatase hoàn

hảo, bước sóng kích thích cần thiết để chuyển một electron từ vùng hóa trị lên vùngdẫn có thể được tính bằng phương trình sau

Hình 1.3 Đồ thị phổ hấp thụ của TiO 2 tinh khiết pha anatase

theo bước sóng (a) và theo năng lượng (b) [24]

Từ đồ thị phổ hấp thụ của tinh thể anatase theo bước sóng và theo năng lượng

(hình 1.3), ta xác định được năng lượng vùng cấm E g và bước sóng kích thích tương

Pha Chiết suất Khối lýợng riêng (g.cm-3) Cấu trúc tinh thể

Bảng 1.2 Tính chất quang của TiO 2 [4].

1.1.3 Tính chất quang xúc tác và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu TiO 2 1.1.3.1 Tính chất quang xúc tác của TiO 2

Xúc tác là một hiện tượng làm thay đổi tốc độ phản ứng gây ra do tác dụng

một chất gọi là chất xúc tác Những phản ứng như thế gọi là phản ứng xúc tác [21]

Thuật ngữ xúc tác quang (photocatalysis) đã được dùng từ những năm 1920thường được các nhà khoa học nhắc đến trong một số lĩnh vực xử lý môi trường,làm sạch môi trường Xúc tác quang hóa có nghĩa là sử dụng vật liệu có tính chất xúctác dưới tác dụng của ánh sáng Như vậy, phản ứng xúc tác quang hóa là phản ứngxảy ra khi có sự tác dụng đồng thời của hai yếu tố: vật liệu có tính chất quang xúctác và ánh sáng Ánh áng sẽ là nhân tố kích hoạt chất xúc tác làm cho tốc độ phảnứng xảy ra nhanh hơn Khi có ánh sáng kích thích, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặpđiện tử - lỗ trống và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ Quá trình giốngnhư phản ứng ôxi - hóa khử, các điện tử có khả năng ôxi hóa - khử mạnh dưới tácdụng của ánh sáng thích hợp, đặc biệt là gốcOH

TiO2 pha anatase là bán dẫn loại n có độ linh động hạt tải lớn, vùng cấmrộng Nó có hệ số truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồngngoại Chiết suất và hằng số điện môi của TiO2 anatase cũng lớn Ngoài ra, với cấutrúc điện tử có vùng hóa trị điền đầy và vùng dẫn trống, TiO2 có thể hoạt động nhưnhững chất tăng độ nhạy cho các quá trình oxy hóa khử trong ánh sáng Các nghiêncứu cho thấy tinh thể nano TiO2 pha anatase (kích thước hạt tinh thể cỡ 5 ÷ 50 nm)

có tính oxy hóa khử mạnh dưới tác dụng của tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trờihoặc đèn huỳnh quang Quá trình quang xúc tác tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏngđược chia thành 6 giai đoạn như sau

1 Các chất tham gia phản ứng được khuếch tán ở pha lỏng hoặc khí đến bề mặtxúc tác.

2 Các chất tham gia phản ứng bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác

3 Các phân tử chất xúc tác hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái cơ bản sangtrạng thái kích thích Điện tử tách khỏi liên kết, chuyển từ dải hóa trị sang dải dẫn

và tạo ra lỗ trống ở dải hóa trị

Ở dải dẫn, điện tử có tính khử mạnh, phản ứng với các chất “ưa điện tử” như O2 đểtạo tác nhân oxy hóa mạnh như H2O2, O2-, OH-

TiO 2 (e - ) + O 2 → TiO 2 + O 2

-O 2 - + H + → HO *

2 2HO *

2 → H 2 O 2 + O 2 TiO 2 (e - ) + H 2 O 2 → TiO 2 + HO + HO -

Đồng thời, lỗ trống ở dải hóa trị có tính oxy hóa mạnh, phản ứng với các chất giàuđiện tử như H2O, OH- và các hợp chất hữu cơ RX (hấp thụ trên bề mặt chất xúc tác)

để tạo các gốc tự do RX+, OH* trên bề mặt tiếp xúc

TiO 2 (h + ) + H 2 O → OH * + H + + TiO 2 TiO 2 (h + ) + OH - → OH * + TiO 2 TiO 2 (h + ) + RX → RX + + TiO 2

Các gốc OH* và O2- có tính oxy hóa mạnh gấp hàng trăm lần các chất oxy hóa quenthuộc hiện nay như clo, ozon Chúng giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ, khí thảiđộc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu thành những chất như CO2,H2O Đây là giai đoạn khởi đầu cho chuỗi các quá trình sau Do vậy, để một chất cókhả năng quang xúc tác thì nó phải có hoạt tính quang hóa, phải có độ rộng vùngcấm thích hợp

Hình 1.5 Cơ chế quang xúc tác của TiO 2

4 Phản ứng quang hóa gồm hai giai đoạn nhỏ

- Phản ứng quang hóa sơ cấp các phân tử chất bán dẫn bị kích thích tham giatrực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp thụ

- Phản ứng quang hóa thứ cấp (còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phảnứng nhiệt) là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm của giai đoạn sơ cấp

5 Các sản phẩm sau phản ứng được nhả ra khỏi bề mặt chất tiếp xúc

6 Các sản phẩm được khuếch tán vào pha khí hoặc lỏng

Hiệu quả của quá trình quang xúc tác phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và đểnâng cao hiệu quả của quá trình quang xúc tác có thể sử dụng một số cách sau

- Giảm sự tái hợp electron và lỗ trống quang sinh: quá trình tái hợp electron

và lỗ trống quang sinh làm giảm khả năng sinh ra các gốc oxy hóa dẫn đến làmgiảm hiệu quả quang xúc tác Để giảm thiểu sự tái hợp electron và lỗ trống quangsinh chúng ta có thể giảm kích thước hạt nano TiO2

- Kết hợp TiO2 anatase va rutile theo một tỉ lệ thích hợp: rutile cũng có tínhchất tương tự nhưng có bề rộng vùng cấm hẹp hơn 0.3eV so với TiO2 anatase, gầnvới thế khử nước thành khí H2 còn TiO2 anatase có khả năng khử O2 thành O2- có

tính oxy hóa mạnh Nguyên nhân là do TiO2 ruitle được hình thành ở nhiệt độ cao,

sự dehydrat hóa xảy ra triệt để, còn TiO2 anatase được hình thành ở nhiệt độ thấphơn, trên bề mặt nó vẫn còn các gốc OH [-Ti-OH] nên dễ dàng hấp thụ các chất.Thực tế cho thấy hoạt tính của chất xúc tác cao hơn khi sử dụng TiO2 là hỗn hợpgồm 75% anatase và 25% rutile Đó là vì TiO2 anatase và rutile đều có năng lượngvùng hóa trị như nhau nhưng rutile có năng lượng vùng dẫn thấp hơn năng lượngvùng dẫn của anatase 0.3 eV nên điện tử quang sinh dễ dàng đi vào vùng dẫn củaTiO2 rutile rồi sau đó đi vào vùng dẫn của TiO2 anatase

1.1.3.2 Ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO 2

Khi được chiếu sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh NanoTiO2 có thể phân hủy được các chất độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ sâu,benzene, cũng như một số loại virus, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn sovới các phương pháp khác Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nướchay ái nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo và khả năng này được ứng dụng để tạo

ra các bề mặt tẩy rửa không cần hóa chất và tác động cơ học hoặc các thiết bị làmsạch không cần điện

Phân hủy điôxin

Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy dưới tác dụng của tia tử ngoại, chất dẻođược phủ hoặc cấy nano TiO2 có thể khử được điôxin trong nước Ở Việt Nam, chủyếu là đất bị ô nhiễm điôxin dẫn đến ô nhiễm nguồn nước nên không áp dụng được cácphương pháp thông dụng để khử điôxin Các nhà nghiên cứu ở Viện Nhiệt đới đã đưa

ra giải pháp phủ hạt nano TiO2 hoạt tính cao lên cát rồi trộn với đất bị nhiễm điôxin.Kết quả cho thấy sau khi tiếp xúc với cát phủ hạt nano TiO2 ngay trong điều kiện thiếusáng, nồng độ chất 2.4-D (có trong điôxin) đã giảm từ 100mg/l xuống còn 30 mg/l.Phát hiện nay đã mở ra một triển vọng lớn để nghiên cứu tìm điều kiện, chế độ phù hợpgiúp phân hủy điôxin trong đất đến giới hạn an toàn cho phép

Tiêu diệt các tế bào ung thư

Ngày nay ung thư vẫn là một căn bệnh nan y Các phương pháp điều trị bằngnhiễu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật rất tốn kém mà hiệu quả không cao Hiện nayTiO2 đang được xem là một hướng đi khả thi để điều trị ung thư Người ta đã thửnghiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo các khối u trên chuột rồi tiêm

một dung dịch chứa TiO2 vào khối u Sau 2 3 ngày, ngýời ta cắt bỏ lớp da bêntrên và chiếu sáng vào khối u trong khoảng 3 phút là các tế bào ung thý bị tiêu diệt.Với các khối u sâu trong cõ thể, thì ánh sáng có thể đýợc chiếu bằng đèn nội soi.

Sơn tự làm sạch

Sơn tự làm sạch gồm các hạt TiO2 cỡ nano kết hợp với một chất keo nước, hoạtđộng dựa trên tắnh chất quang xúc tác của TiO2 Dưới tác động của tia tử ngoại trongánh sáng Mặt trời hoặc đèn huỳnh quang, TiO2 trong lớp sơn phủ làm phát sinh các tácnhân oxy hóa mạnh như H2O2, O2-, OH- Chúng có thể phân hủy hầu hết các hợp chấthữu cơ, khắ thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên tường thành CO2 và H2O

Pin mặt trời quang điện hóa

Khả năng quang xúc tác mạnh của nano TiO2 đã được nghiên cứu ứng dụngtrong pin Mặt trời quang điện hóa, một loại dụng cụ điện tử có khả năng biến đổitrực tiếp năng lượng Mặt trời thành điện Khác với loại pin đã biết chế tạo từ vậtliệu silic đắt tiền với công nghệ phức tạp, pin Mặt trời quang điện hóa hoạt độngtheo nguyên lắ hoàn toàn khác, trong đó có các hạt nano TiO2 được sử dụng để chếtạo màng điện cực phát Cấu trúc xốp và thời gian sống của hạt tải cao tạo ra ưuđiểm nổi bật của nano TiO2 trong việc chế tạo pin Mặt trời quang điện hóa Điểmđặc biệt là cấu tạo của pin Mặt trời quang điện hóa đơn giản, dễ chế tạo, giá thànhthấp, dễ phổ cập rộng rãi và đang được coi như là lời giải cho bài toán an ninh nănglượng của loài người

Xử lắ không khắ ô nhiễm

Ở các thành phố lớn, không khắ bị ô nhiễm nặng với các loại khói bụi côngnghiệp và sinh hoạt Bụi có thể ngăn chặn nhưng ta rất khó xua đi khói xe và khóithuốc lá Một giải pháp được đưa ra là cấy các hạt TiO2 trên giấy và tạo nên mộtloại giấy đặc biệt-giấy thông minh tự khử mùi Khi sử dụng giấy này tại nơi lưuthông khắ như cửa sổ, hệ thống lọc khắ ôtô các phân tử mùi và bụi bẩn sẽ bị giữ lại

và phân hủy nhờ ánh sáng thường hoặc ánh sáng tử ngoại Loại giấy này cũng có tácdụng diệt các vi khuẩn gây bệnh trong không khắ

Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao,nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài Bản thân nano TiO2 không độc hại, sảnphẩm của sự phân hủy chất này cũng an toàn Những đặc tắnh này tạo cho nano

TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh tế và kĩ thuật trong việc làm sạch môitrường nước và không khí khỏi các tác nhân ô nhiễm.

1.2 Tổng quan về vật liệu TiO 2 /CuO

1.2.1 Vài nét về tinh thể CuO

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của CuO [8]

Tinh thể đồng (II) ôxit có khối lượng phân tử là 79,545 g/mol, ở dạng bột có

màu đen nâu Có cấu trúc mạng đơn tà (monoclinic), thuộc nhóm điểm C2h, nhóm

không gian của ô đơn vị C2/c Đồng (II) ôxit có các hằng số mạng a = 4,6837 Å; b = 3,4226 Å; c= 5,1288 Å;  = 99,28o [40] Trong cấu trúc tinh thể thì nguyên tử Cuđược điều phối bởi 4 nguyên tử ôxi trong một cấu hình phẳng gần như vuông Mỗinguyên tử Cu2+ đặt ở trung tâm hình bình hành tạo bởi 4 nguyên tử O2-, mỗi nguyên

tử O2- nằm trong tứ diện tạo bởi 4 nguyên tử Cu2+ (Hình 1.6) [8]

Hình 1.7 Ảnh TEM của CuO [27]

Wenzhong Wang và cộng sự [27] nghiên cứu tinh thể CuO cấu trúc nano đã

có báo cáo về hình thái của CuO qua kết quả ảnh TEM được thể hiện trên hình 1.7.Trên hình ta thấy các hạt CuO có dạng hình que Các hạt nano có chiều dài cỡ 2m

và bề rộng trung bình khoảng 160 nm Khoảng cách giữa các họ mặt phẳng mạng được xác định là 0,26 nm tương ứng với mặt phẳng (111)

Hình 1.8 Cấu trúc vùng năng lượng của CuO [42]

CuO được coi như là chất hấp thụ năng lượng mặt trời do có hiệu suất hấpthụ năng lượng mặt trời cao, nó cũng là một chất bán dẫn hứa hẹn trong việc chế tạo

tế bào năng lượng mặt trời do sự phù hợp ở tính chất quang Trong một số báo cáogần đây, CuO thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao là tốt CuO là một chất bán dẫnloại p có cấu trúc vùng năng lượng được thể hiện trên hình 1.8 Bề rộng vùng cấm

của CuO cỡ 1,3 - 1,7 eV Ở đây dải hóa trị được báo cáo là 5,42 eV dưới mức không

(mức 0) và chủ yếu được tạo thành từ mức 3d của ion Cu2+ Một số báo cáo khác đã

chỉ ra rằng dải hóa trị nằm dưới mức không là 4,07 eV Dưới mức không cũng hình thành nguyên tử ôxy phân mức 2p ở 7,33 eV [42]

Hình 1.9 Phổ hấp thụ của CuO

Phổ hấp thụ của CuO (hình 1.9) cho thấy CuO hấp thụ tốt bức xạ khả kiếntrong khoảng 400 - 800 nm CuO là bán dẫn loại p nên thường kết hợp với một bándẫn loại n để tạo ra lớp chuyển tiếp p-n ở dạng mỏng có tắnh chỉnh lưu tốt và đượcứng dụng trong nhiều mục đắch nghiên cứu

1.2.2 Tổng quan về vật liệu TiO 2 /CuO

Theo báo cáo nghiên cứu của Slamet, Hosna W Nasution và Ezza Purnama[35] điều tra tắnh quang xúc tác của TiO2 (P25) khi kết hợp với các loại đồng khácnhau (Cu0, CuI, CuII), kết quả TiO2 khi kết hợp với CuII thì có hiệu suất quang xúctác vượt trội Khảo sát vật liệu TiO2/CuO cho thấy khi nồng độ CuO nhỏ (< 3%khối lượng) thì CuO phân tán đều trên bề mặt của TiO2 nhưng khi nồng độ lớn (3%) có sự ngýng tụ của CuO trên bề mặt tinh thể Điều này có thể đýợc giải thắchnhý sau, khả nãng phân tán của CuO vào các vị trắ trống của TiO2 là 4.16 Cu2+ nm-2( 2.2% khối lýợng Cu), khi mật độ Cu2+ lớn hõn sẽ không có vị trắ trống cho nóchiếm đóng do đó nó sẽ ngýng tụ thành CuO trên bề mặt của tinh thể, dùng phép đoXRD nhý hình 1.10 để xác định sự tồn tại của CuO [15, 35]

Hình 1.10 Giản ðồ nhiễu xạ tia X của các mẫu (a) TiO 2 (P25), (b) 1%CuO/TiO 2 , (c)3%CuO/TiO 2 , (d)5%CuO/TiO 2 , (d’)-5%CuO/TiO 2 , (e)10%CuO/TiO 2 [9, 35].

Trên hình 1.10 là giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2 Degussa, P-25 và cácmẫu TiO2/CuO Như ta thấy xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ứng với góc 2 tại 25,3o

và 27,4o đặc trưng pha anatase và pha rutile của TiO2 Ngoài ra, ta còn thấy sựxuất hiện của CuO tại vị trí 35,6o và 38,8o khi nồng độ khối lượng CuO 3%.Kết quả của nghiên cứu chỉ ra Cu2+ là điện tử ngăn chặn hiệu quả sự tái hợpcủa electron và lỗ trống do đó thúc đẩy đáng kể hiệu quả hoạt động quang Diện tích

bề mặt của chất xúc tác khi có thêm sự xuất hiện của CuO không thay đổi đáng kể,

cụ thể là khi tăng nồng độ CuO thì diện tích bề mặt giảm nhẹ Bên cạnh nguyênnhân giảm do tăng nồng độ kết hợp còn có nguyên nhân nữa là do ảnh hưởng củanhiệt độ trong quá trình tổng hợp Sự thay đổi nhỏ ở diện tích bề mặt không đónggóp cho việc tăng hoạt động quang của chất xúc tác [34, 35]

Hình 1.11 Cõ chế hình thành các hạt TiO 2 /CuO [32]

Sahuand

Biswas trong nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 kết hợp với CuO [32] đã đưa ra dựđoán về các yếu tố ảnh hưởng đến sự tổng hợp và đặc điểm các hạt nano TiO2/CuO.Theo đó, có thể kiểm soát được các các đặc điểm của hạt (kắch thước, hình dạng,thành phần và pha kết tinh) trong quá trình tổng hợp qua việc điều chỉnh tỉ lệ pha,nhiệt độ, thời gian ủ Kết quả khi kết hợp TiO2 nano với CuO trong cùng điều kiệnnhưng tỉ lệ CuO khác nhau thì tùy thuộc vào tỉ lệ CuO mà vật liệu tổ hợp có thểhình thành CuO trên bề mặt tinh thể TiO2 (tỉ lệ phần trăm của CuO 15%) Cáchạt đồng đều có dạng hình cầu, kắch thýớc của hạt giảm khi tãng nồng độ CuO,nguyên nhân là do CuO thừa trên bề mặt ngãn cản sự phát triển của hạt Khi tãngnồng độ CuO cũng thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ pha anatase sang pha rutile

Phép đo phổ hấp thụ cho kết quả bề rộng vùng cấm đã thu hẹp 0,8 eV (2,51eV, 15%

TiO2/CuO; 3,31eV, TiO2) ứng với mẫu 15% TiO2/CuO, kết quả này cũng phù hợpvới kết quả nghiên cứu đã đýợc công bố trong báo cáo của Thimsen Et [37]

Hình 1.13 Cấu trúc vùng năng

lượng của p-CuO/n-TiO2 [43]

Hình 1.12 Cấu trúc vùng năng lượng của TiO 2 , TiO 2 /CuO nano và CuO [41]

Hình 1.11 thể hiện cõ chế hình thành các hạt TiO2/CuO Nguyên nhân sự thay ðổi

bề rộng vùng cấm có thể là do có sự thay thế các ionTi4+ trong mạng tinh thể bằngcác ion Cu2+ sẽ dẫn ðến sự sắp xếp lại của các nguyên tử lân cận, gây biến dạng tinhthể làm ảnh hýởng tới cấu trúc ðiện tử CuO là bán dẫn loại p nên thường kết hợpvới một bán dẫn loại n để tạo ra lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiềumục đích nghiên cứu Khi CuO kết hợp với TiO2 một phần tạo ra vật liệu tổ hợpTiO2/CuO có cấu trúc vùng năng lượng p-CuO/n-TiO2 Trong báo cáo gần đây N.Yildirim và cộng sự [43] đã đề suất sơ đồ năng lượng của lớp tiếp giáp p-CuO/n-

TiO2 dựa trên việc phân tích các kếtquả thu được từ phép đo điện Kết quả

p-và của TiO2 là 4 eV Thế của CuO p-và TiO2 làm việc ở 5,626 eV p-và 4,694 eV p-và hiệu

thế tương đương là 0,932 eV Như trên sơ đồ năng lượng ta thấy bề rộng vùng cấm của lớp chuyển tiếp cỡ 1,7 eV.

1.2.3 Những nghiên cứu về tính quang xúc tác và ứng dụng của vật liệu TiO 2 /CuO

Gần đây, vật liệu TiO2 kết hợp với CuO ngày càng được nghiên cứu rộng rãi.Các nghiên cứu về đồng oxit cho thấy nó vật liệu có bề rộng vùng cấm hẹp (CuO,

1.2 eV ; Cu2O, 2.1 eV), hệ số hấp thụ cao nhưng lại dễ bị phân hủy bởi ánh sáng tử

ngoại Tuy nhiên đồng oxit khi được tổ hợp cùng với TiO2 đã được chứng minh làcải thiện được tính hao mòn do tác dụng của ánh sáng và ổn định hơn [31,43] Cáckết quả nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu tổ hợp TiO2/CuO rất hiệu quả trong việc sửdụng làm chất xúc tác, khử khí CO2 có trong môi trường [39] Ngoài ra,vật liệu tổhợp TiO2/CuO còn giúp cải thiện chất lượng của cảm biến khí, nâng cao hiệu quảsản xuất H2 [25, 39], nâng cao hiệu quả sản xuất một số hợp chất hữu cơ như metan,methanol [34, 35] Tuy nhiên, Wu B [42] cũng đã chỉ ra rằng TiO2 khi kết hợp vớiCuO có tính độc cao hơn so với TiO2 tinh khiết

Trong các nghiên cứu [34, 35] Slamet và cộng sự đã nghiên cứu về vật liệuTiO2/CuO P-25, trong đó việc chọn CuO để tổ hợp dựa trên tiềm năng các giá trịôxy hóa vì chúng có khả năng bẫy các electron Thế các giá trị ôxy hóa khử của

đó, ion Cu2+ có thế ôxy hóa khử thấp hơn nên có tính khả thi hơn khi kết hợp đặc biệt làviệc cấy ghép vào các chỗ trống của TiO2 Ion Cu2+ có lớp vỏ 3d chưa đầy đủ và thế nhiệtđộng có thể giảm, điều này thuận lợi cho các electron rơi vào bẫy của CuO trên bề mặtTiO2 [15] Trên hình 1.13 và phương trình (1.9) biểu diễn chu trình ôxy hóa khử của cácion Cu2+/Cu+ có thể xảy ra khi tổ hợp CuO với tinh thể TiO2

Cu II O  e Cu I O O H2 / 

   Cu II O (1.9)

Hình 1.14 Chu trình ôxy hóa khử của Cu 2+ /Cu + trong quá trình khử CO 2 [34].

Một phần các electron kích thích lên vùng dẫn bị bẫy bởi các ion Cu2+ (e- CB),điều này làm cho các ion Cu2+ trở thành ion Cu+ Việc bẫy các electron sẽ làm giảmion H+ và O2 biến chúng trở thành các gốc tự do của 

H và 

O- 2 Trong một vàitrường hợp, các ion Cu+ cũng có thể tái ôxy hóa thành ion Cu2+ bởi các ion H+ và O2

có trong hệ tổ hợp [34, 35]

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về TiO2 kết hợp với CuO đã được công bố nhưng

có rất ít nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ, điều kiện tổng hợp (thời gian, nhiệt độ ủ)đến tính chất và cấu trúc điện tử của vật liệu hình thành Và CuO có đóng góp gì trongviệc mở rộng phạm vi hấp thụ của TiO2 sang vùng bức xạ khả kiến

Việc kết hợp TiO2 với CuO trong các điều kiện khác nhau dẫn đến thay đổitính chất hạt, thay đổi cấu trúc điện tử, thay đổi bề rộng vùng cấm của vật liệu Vậtliệu này có rất nhiều ứng dụng trong thực tế vì vậy cần thiết phải nghiên cứu tổnghợp vật liệu tổ hợp TiO2/CuO trong điều kiện có thể kiểm soát được

1.3 Tóm lược về xanh metylen và cam metylen

Hợp chất azo là những hợp chất màu tổng hợp có chứa nhóm azo – N= N –.Hầu hết các loại hợp chất màu azo chỉ chứa một nhóm azo (gọi là monoazo), một số

ít chứa hai nhóm hoặc nhiều hơn Hợp chất azo thường có chứa một vòng thơm kếtvới nhóm azo và nối với một naphtalen hay vòng benzen thứ hai Sự khác nhau giữacác hợp chất azo chủ yếu ở vòng thơm, các nhóm quanh liên kết azo giúp ổn địnhnhóm – N= N – bởi những nhóm này tạo nên một hệ thống chuyển động, là yếu tốquan trọng ảnh hưởng đến màu sắc của hợp chất azo Khi hệ thống chuyển vị và phânchia sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ thường xuyên ánh sáng ở vùng khả kiến [6, 7].

Các chất màu họ azo hầu hết đều có cấu tạo mạch cacbon phức tạp, cồngkềnh Hợp chất azo bền hơn tất cả các phẩm màu thực phẩm tự nhiên, bền với nhiệtkhi phơi dưới ánh sáng và oxy, rất khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật, khó bị phânhủy bằng các phương pháp truyền thống: sinh học, vật lý, hóa học

Xanh metylen (MB) là một hợp chất hóa học có vòng thơm nhị chất với côngthức phân tử C16H18N3SCl, được sử dụng nhiều trong lính vực sinh hóa như nghiêncứu mô, diệt khuẩn, hóa trị liệu MB có vòng benzen và vòng thơm, ngoài nguyên

tố cacbon trong cấu trúc còn chứa ha nguyên tố nitơ và lưu huỳnh, nên khó bị phânhủy bởi các phương pháp hóa sinh thông thường

Hình 1.15 Cấu trúc mạch vòng của MB

Phổ hấp thụ của MB có hai đỉnh hấp thụ tại vùng ánh sáng tử ngoại và vùng ánhsáng nhìn thấy Tuy nhiên trong kết quả xử lý quang xúc tác chúng tôi chỉ quan tâmtới đỉnh hấp thụ trong vùng ánh áng khả kiến của MB

Hình 1.16 Phổ hấp thụ của dung dịch MB với các nồng độ khác nhau

Tương tự như MB, cam metylen (MO) có tên khoa học là Natri dimetylaminoazobenzensunfonat và có công thức phân tử là C14H14N3NaO3S, cócông thức cấu tạo được thể hiện trong hình 1.17 MO là một chất bột tinh thể màu

para-da cam, độc, không tan trong dung môi hữu cơ, khó tan trong nước nguội, do có cấutạo mạch cacbon phức tạp và cồng kềnh, liên kết – N= N – và vòng benzen bềnvững nên MO rất khó bị phân hủy

Hình 1.17 Cấu trúc mạch vòng của MO

Cấu trúc mạch vòng đặc trưng cho cấu trúc của benzen và nhiều hợp chất hữu

cơ độc hại Một chất có thể bẻ gãy được các liên kết mạch vòng nghĩa là có khả năng

bẻ gãy các liên kết C-C trong các phân tử hợp chất hữu cơ Lúc này, cấu trúc mạchvòng bị phá vỡ và hợp chất hữu cơ độc hại được phân hủy thành CO2 và H2O MB và

MO có giá thành rẻ nên được dùng để làm chất thử tính quang xúc tác của vật liệu

TiO2 Cu(NO3)2.3H2O

Rung siêu âm trong 1giờ, khuấy trộn ở 95oC trong

4hSấy khô ở 150oC, nung mẫu ở 500oC trong 2 giờ

TiO2/CuO

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày quy trình tổng hợp vật liệu tổ hợpTiO2/CuO bằng phương pháp nhiệt phân đơn giản, quy trình xử lí quang xúc tác vànguyên lí các phép đo phục vụ quá trình khảo sát tính chất của vật liệu

2.1 Tổng hợp mẫu TiO 2 /CuO

- Dụng cụ: Bếp khuấy từ, con từ, máy rung siêu âm, cốc thủy tinh chịu nhiệt, tủsấy thường, lò nung

- Hóa chất gồm

 Nước cất: H2O

 TiO2 Degussa P-25

 Copper-nitrate-trihydrate: Cu(NO3)2.3H2O, 99%

- Quy trình tổng hợp mẫu TU1 (1%) có tỉ lệ: mCuO/ mTiO2 = 1/ 100

Bước 1: Lấy 0,0601g Cu(NO3)2.3H2O cho vào 50ml nước, cho thêm 1,9802g TiO2vào dung dịch sau đó khuấy từ trong 5 phút

Bước 2: Rung siêu âm trong 1 giờ

Bước 3: Cho dung dịch lên khuấy từ trong 4 giờ ở nhiệt độ 95oC

Bước 4: Làm khô dung dịch ở 150oC trong 2 giờ

Bước 5: Nghiền mẫu bột trong 1 giờ

Bước 6: Nung mẫu ở 500oC trong 2 giờ

Bước 7: Nghiền lại mẫu trong 5 phút

H2OKhuấy từ

Các mẫu còn lại được tổng hợp với quy trình tương tự nhưng tùy thuộc vàonồng độ CuO cần kết hợp mà thay đổi khối lượng của Cu(NO3)2.3H2O và khốilượng của TiO2.

Bảng 2.1 Số liệu thí nghiệm và kí hiệu cho các mẫu có nồng độ CuO cần pha tạp

khác nhau

Tên mẫu tổng hợp Cu(NO3)2.3H2O (g)Khối lượng TiO2 Degussa P-25 (g)Khối lượng

2.2 Thực nghiệm xử lý quang xúc tác

Để khảo sát tính quang xúc tác của vật liệu TiO2/CuO ta tiến hành thửnghiệm xử lý xanh metylen (MB) C16H18CIN3S.3H2O bằng các mẫu TiO2/CuO chếtạo được

Các thí nghiệm được tiến hành trong cốc 200ml, với hệ thống làm mát và

máy khuấy từ Nguồn sáng được dùng là bóng đèn sợi đốt 100 W Khoảng cách

giữa bóng đèn và bề mặt dung dịch MB là 10 cm.

Hình 2.2 Mô hình thử nghiệm phản ứng quang xúc tác phân hủy MB

Quy trình tiến hành theo các bước:

Bước 1: Cân 50mg mẫu TiO2/CuO TU1 cho vào cốc dung tích 200ml có chứa 50

ml dung dịch MB 10 ppm, khuấy đều 30 phút trong bóng tối bằng bếp từ (dung dịch A).

Bước 2: Dùng pipet lấy ra 2,5ml dung dịch A, li tâm tách bỏ kết tủa, sau đó rút ra 2ml dung dịch cho vào lọ đã ghi tên mẫu bảo quản trong bóng tối.

Bước 3: Đặt cốc dung dịch A trong hệ thống làm mát Dùng bóng đèn 220V chiếu vào dung dịch, sao cho khoảng cách từ bóng đèn đến mặt chất lỏngkhoảng 10cm Sau đó chiếu sáng trong 1 giờ

100W-Bước 4: Lấy ra 2,5ml đem ly tâm tách bỏ kết tủa, rút lấy 2ml dung dịch cho

vào lọ đã ghi tên mẫu bảo quản trong bóng tối

Bước 5: Tiếp tục chiếu sáng và khuấy đều dung dịch A trong 1 giờ

Bước 6: Lấy ra 2,5 ml đem ly tâm tách bỏ kết tủa, rút ra 2ml dung dịch cho

vào lọ bảo quản trong bóng tối

Bước 7: Đo phổ hấp thụ của các mẫu

Để so sánh hiệu suất xử lý quang xúc tác của các mẫu tổ hợp với tỉ lệ khácnhau, chúng tôi giữ cố định khối lượng TiO2 trong mẫu là 50 mg, khối lượng cácmẫu TU2, TU3, TU4, TU5, TU10, TU40 được dùng để xử lý quang xúc tác sẽ đượctính toán sao cho khối lượng TiO2 có trong các mẫu là như nhau và bằng 50mg

Ngoài việc khảo sát tính quang xúc tác của vật liệu TiO2/CuO bằng cách thửnghiệm xử lý xanh metylen (MB), chúng tôi còn tiến hành xử lý dung dịch cammetylen (MO) C14H14N3NaO3S nồng độ 10 ppm Các bước tiến hành xử lý và

đo đạc được tiến hành tương tự như việc xử lý MB

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

Cấu trúc tinh thể của một chất được quyết định bởi tính chất vật lý của nó Vìvậy, nghiên cứu cấu trúc tinh thể là cơ sở đầu tiên, cơ bản nhất để nghiên cứu vậtliệu Sau đây là một số phương pháp được dùng để nghiên cứu cấu trúc vật liệu

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg Cơ sở của phương phápnày là tính tuần hoàn của mạng tinh thể và sự giao thoa của các sóng kết hợp Tinhthể vật rắn được cấu tạo từ các nguyên tử sắp xếp đều đặn, tuần hoàn tạo thành cácmặt phẳng mạng cách nhau một khoảng d Khi chiếu chùm tia X bước sóng  thíchhợp lên vật rắn, các nguyên tử vật chất trở thành các tâm phát sóng thứ cấp Cácsóng này là các sóng kết hợp nên giao thoa với nhau, làm cho sóng tổng hợp chỉ

quan sát theo một số phương tăng cường lẫn nhau.

Theo hình 2.3 ta có thể tính được hiệu quang trình của các tia phản xạ trênhai mặt phẳng mạng liên tiếp:

L = 2d.sin (2.1)

Theo định luật Bragg, điều kiện để có cực đại giao thoa của hai sóng là:

2d hkl sin = n. (2.2)

Trong đó n = 1, 2, 3… là các bậc giao thoa

 là góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ với mặt phẳng mạng

 là bước sóng ánh sáng kích thích

dhkl là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng liên tiếp có chỉ số Miller (hkl)Tinh thể TiO2 có cấu trúc tứ giác, ta có các hằng số mạng a = b tính theophần mềm tính hằng số mạng



Hình 2.3 Cơ chế nhiễu xạ tia X [4]