doping một số kim loại chuyển tiếp vào vật liệu tio2 nano và ứng dụng

tio2 là vật liệu có hoạt tính quang xúc tác cực mạnh. trong khi bị kích thích bởi ánh sánh hoạt tính oxi hóa của tio2 cao hơn gấp 3 lần so với ozone. tính chất và ứng dụng của vật liệu nano tio2, doping các kim loại chuyển tiếp lên vật liệu nano tio2 ứng dụng để là vật liệu quang xúc tác, khử vi khuẩn nấm mốc.

Sự pha tạp một số kim loại chuyền tiếp vào vật liệu tio2 nano và ứng dụng by Dạy

Kèm Quy Nhơn - issuu

"Nghiên cứu sự pha tạp một sô“ kim loại chuyền tiê ˆp vào vật liệu tio2 nano và ứng

dụng"

MUC LUC

Trang

ni HN THỊ BH ác knesntbáevs pin inga tran ha tấn 248001005/48323008)1/58601892813158104E02U8G040410014030155800g8 SS VỀ 1 LO) CAN De nkiteoikeded61g1121467866630083t01461300255tx064360445518006308406101363093/08008393002832 ii LLI CHÍ co sccuisaneessntnatissatiakdbitodouigdis44610018316858016806/058E853114E02004164949093401/0078466 188 hổ 11

Mục ÌỤc - L L c1 1 TT TT TT ki TS TT TK ca 1

Danh mục các hình và bảng biỂu SH 2n T n1 n1 1511515115111 n 5 E11 n1 n5 nàn 5

SE Dereeeeenueoikedsietoigii0nttisadubioidtirtkgi0010090008600dga0V9E0G0IE620591013/838340E9124103081g05318 9 Chương 1 TỎNG QUAN TÀI LIỆU 2-2-5552 52 5s 5Ss+szszxese>e=sssss2 11

1.1 Các đang cấu trúc và tính chât titan đioxxit (T1O›) có câu trúc nano 1 1

1.1.1 Các đạng cấu trúc TiO› nanO - 2: S2 s2SzESEE£E£E2ZE£E£EzzEr re 11 1.1.2 Tính chất lý - hóa của T1O› nano ¿252 S2 SE S222 sze: 13 1.1.3 Cơ chế quang xúc tác trên TiO› có câu trúc nano 14 1.1.3.1 Giãn đồ miền năng lượng của anatase và rutile - - 14 1.1.3.2 Cơ chế phản ứng xúc tác quang đị thể 2s +szsz£zzz: 16 1.2 Một số phương pháp tổng hợp T¡O› có cấu trúc nano 25¿ 19 1.2.1 Phương pháp soÌ — geÌ . - c2 3211321113 nhi 19 1.2.2 Phương pháp thủy nhiệt - L0 21222 nh nhe 20 1.2.3 Phương pháp VI SÓNE Q.12 v1 S2 xnxx khu 20 1.2.4 Phương pháp vi nhũ tương 5s +32 kkrrrreeerrea 21 1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chât vật liệu - 2-2 +sz=zzszs2 21

1.3.1 Nhiễu xạ tia X XRD) - 1-22 S21 1221211112121 712111112121 cxe 3] 1.3.2 Hiễn vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 23 1.3.3 Nguyên lí phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) - 24

1.3.4 Phép đo điện tích bề mặt hấp phụ khí Brmauer— Emmett — Teller (BET) 25

1.3.5 Phương pháp phổ hấp thụ UV — Vis -2- 22 2+2Sz+szz+Sz2 25

14,861 H0h Gñã TH GotsstxeactE6bgsttabiass0gitessiyf@gipsagssssesi 26

1.5 Ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO;› có cầu trúc nano 28

1.5.1 Xử lý không khí ô nhiễm cec cece cece eeeeseeeeeeeeeeeeeeeees 28 1.5.2 Ứng dụng trong xử lý "ưỚC - 5 +2 Sz 2 2S 5522222522 x22, 28

1.5.3 Diệt khuẩn, vi rút, nẫm 2::52c 22 tEx2EvEttzttstrrrtrrrrree 29

1.5.4 Tiêu điệt tế bào ung thư 2 2 SSE2E+EEE12E£EE E225 152222 29

1.5.5 Ứng đụng tính chất siêu thâm tới - 2 2 2S 2z 22x xe: 29 1.5.6 Sản xuât nguồn năng lượng sạch H: - - 2 2+2 xe: 32

1.5.7 Sản xuất sơn, gạch men, kính tự làm sạch ‹ - 33

Chương 2 THỰC NGHIỆM - Ă- Ă Ăn ng ng ng 34

2.1.1 Hóa chất 55 2222212212211211122122117112212111121 1t 34

2.2 Chế tạo vật liệu 2 S55 S258 5 1515555155111 212111115111 01 15121 n 5 5n nen 35

2.2.1 Tổng hợp vật liệu nano Ti; .- ¿+ 2 s+s+szEzEzEzszxzEzxzxzx2 35 2.2.2 Tổng hợp T¡O: pha tạp bạc 2 S2 2s2EcEEE2EcEEEzEzEzxrxrxrx2 35 2.2.3 Tổng hợp T¡O: pha tạp CTOIM 52 S2S32E2ESE2E2E£E2E2EzE z2 37 2.3 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác bột T1O: nano và T1O› pha tạp Ag 37 2.3.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ pha tạp Ag đên khả năng quang xúc tác

À0 80906192012 adAÖ5Ã

2.3.1.1 Xử lý metyl da cam dưới ánh sảng đèn tử ngoạiI 37

2.3.1.2 Xử lý metyl da cam dưới ảnh sảng mặt trời - 38

2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian lên khả năng quang xúc tác của bột

TA Cons Op ỨGE sec dưng GuyG s00 l0G30SGGGGGEISISMGNEGGGUReE

2.4 Ứng đụng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu trong xử lý nước thải 39

54.1 Xữ tbñÿ Wi siifi vật HIẾN KME SoavsscscssdaseGiaoitdgis0sgceetsdlssussuet 39

DAD Mt TY COD eccccaeteecosttgiebtsit4v80646043669/66@816t40086/0660463036g3556 0308 đ0 42 2.5 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột T1O: nano và T1O; pha tạp CT .42

Chữờig 3 KT QUÁ VÀ: THẢO THUẬN neo ta giày HhưaGgtggaakat88đ 43 3.1: Đặc đtE HN GHấE:GÑ@ VỆ HỆN:cuaggiininiintitiiitiditdliicaiglEsa0i0010Ldg0 080 43

3.1.1: XI Hệ TiO ẩậHHD seo: oiioiitoiituoabdiicibitit601501200205050306060620gói 43

3:1.1/1/i6Ll XE ácarnicbiiiotidAhitdiiioiatit6G000100001603010130000806u531g.uau8) 43

3.1.1.2 Kết quả đo SEM, TEM 5: 2S 212E1212E2E231712121 1221 te 44

3.1.1.3 Diện tích bề mặt của mâu TiO› nano 22 2225525 25525252552 46

hai: VHL.HET HO THNUHIDRBIBNWE seeeeeeerarpeoeeesrseeedeeeersesgoaessi 46

3.1.2.1 Phố Raman của vật liệu Ẳ- S1 25351535858 15155555555 11155 E55 5555xe2 46

3.1.2.2 Kết quả đo SEM, TEM 2 2 SsEE£EEE32EEE2125 121732 47

3.1.2.3 Phố EDX của vật liệu 22 T925 2115555553155 135 811211551 8 xe 47 3.1.2.4 Phé UV — Vis rắn của vật liệu 22 S25 5 SE 11 S85 52555555 5c 2ss2 48 3.1.3 Vật liệu T1O› nano pha tạp CT - 55c 2222 *sSs vvxxscerres 49

3.1.3.1 Phổ Ramai - 2-2 2S S99 EEEEtSE2E9EE21212512121111171111171 1.1121 2e 49

3.1.3.2 Kết quả đo TEM - ¿+ + St2S2E2E2E 2171212171212 1111112 e6 49

3.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ pha tạp Ag đến khả năng quang xúc

tác của bột 'T1O; - - Q1 0111111 KTS TT cv ca

3.2.1 Xử lý metyl đa cam bằng ánh sáng tử ngoại 2 sz5¿ 50 3.2.2 xử lý metyl đa cam băng ánh sáng mặt trời 2s csz: 52 3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng quang xúc tác của vật liệu

TÍO¿ — AB‹ S13 2T 1 1111 1212117111115 1115111111111 111111111111

3.4 Ứng dụng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu đề xử lý vi sinh vật 55

B.S XLV COD ooo cecccccccecescssesesvssessesesseecssesvsseessesvsavavsaeevssesesusesevevavevevsaseveeees 57

3.6 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ pha tạp Cr đến khả năng quang xúc tác

0¡8909806109-5:// 227 ‹alaa

KẾT HUẬN VÀ KIÊN NGHĨ: 2e cccggodG0 32 ere ere 2x6 59 CAC CONG TRINH DA CONG BO LIEN QUAN DEN LUAN VAN 60 TẮTLIÊU THAKM( KH: ccccccccoioceckcdckttccsdovbiS0821305465Eg303/08g6063ãg5686: 61

DANH MUC CAC CHU VIET TAT

Brunauer — Emmett — Teller (Phương pháp xác định điện tích

bề mặt riêng của vật liệu ran)

Biochemical oxygene đemand (Nhu cầu oxy sinh hóa) Chemical oxygene demand (Nhu cau oxy hoa hoc) Differential Scanning Calorimetry (Nhiét lwong vị sai quét) Ching vi sinh vat Escherichia Coli

Tán sắc năng lượng tia X Plate Count Agar

Scanning Electron Microscopy (Hién vi dién tử quét) Transmission Electron Microscopy (Hién vi dién tử truyền qua) Ultraviolet — Visible (Tit ngoai va kha kién)

X — Ray Diffraction (Nhiéu xa tia X)

DANH MUC CAC HINH

5 | Hinh 1.5 | Gian d6 nang long cia anatase va rutile 15

7 | Hinh 1.7 | Co ché xtc tac quang ctia chat ban dan 17

8 | Hinh 1.8 ` Sơ đồ tia X tới và tia phản xạ trên tinh thé 35

8ì | W8 Nguyên tắc chung của phương pháp hiên vi g8

điện tử

‘a Hình | So d6 nguyén ly cia hé ghi nhan tin hiéu phd -

110 | EDX trong TEM -

11 vu Hiện tượng siêu thâm ướt ở TiO› kích thước nano 30

Bột T1O: nano (a), bột T1O:- Ag theo tỉ lệ 1%

13 | Hìnit 22 ' (b), 2% (c), 33% (d), 4% (e), 5% (f), 6% (g), 8% 36

Mẫn metyl đa cam ban đâu (a) và các mâu được

xử lí bằng T1O: nano (b), T1O›— Ag với tỉ lệ 1%

(1)

15 | Hinh 2.4 ` Quy trình định lượng tổng vi sinh vật hiều khí 41

16 | Hình 3.1 | Giản đồ nhiêu xạ tia X của bột TiO› chưa xử lý 43

17 | Hình 3.2 \ Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột TiO, thty nhiét va | 43

18 | Hinh 3.3 | Anh SEM cia bét TiO, chwa xt ly +4

20 | Hinh 3.5 | Co ché hinh thanh 6ng TiO, nano 45

21 | Hình 36 | Pho Raman cia mau TiO; va mau T — Ags 46

Anh SEM (A), TEM (B) của vật liệu TiO; pha

tap Ag 5% (T-Ag5)

23 | Hinh 3.8 | Pho EDX cia vat liéu TiO, pha tap Ag 5% 47

Pho UV-Vis ran cia cac mau TiO; pha tap Ag

Hình Phố UV-Vis của dung địch MO với các mẫu pha KH

_ 3.12 tap khac nhau khi chiéu xa bang den tử ngoại

8 Hình Ph6 UV-Vis cia dung dich MO voi cac mau pha tap a

- 3.13 Ag khác nhau khi chiêu xạ bằng ánh sáng mặt trời -

ng | AM | Co ché bay dién tir Ag khi pha tap vao TiO; 53

3.14

Phố UV-Vis của dung địch MO với mâu pha tạp

30 saa T-Ag; khi chiêu xạ bằng ánh sáng mặt trời ở 54

nhiệt những khoảng thời gian khác nhau

3) Hình | Hinh anh khuan lac trén dia petri của 3 mẫu M1, 55

3.18

cac mau TiO, pha tap crom ở tỉ lệ khác nhau khi

chiéu xa bang anh sang mat troi

1 Bang 1.1 Mot so thong sô vật lý của T1O: ở dạng 13

4 Bảng 3.1 | Kết quả đo BET của bột nanoTiO; 46

5 Bang 3.2 | Thành phần các nguyên tô có phổ EDX 48

6 Bảng 3.3 | Một số thông tin về metyl đa cam 50

Độ chuyền hóa của dung địch MO với các

7 Bảng 3.4 | mầu pha tạp khác nhau khi chiêu xạ băng đèn 51

tử ngoại

Độ chuyển hóa của đung địch MO với các

8 Bang 3.5 | mầu pha tạp khác nhau khi chiêu xạ băng ảnh 52

sảng mặt trời

Độ chuyền hóa của dung dịch MO với mâu

9 Bang 3.6 | pha tạp T-Ag: khi chiêu xạ bằng ánh sáng mặt 54

troi 6 nhitng khoang thoi gian khac nhau

10 Bang 3.7 | Kết quả xử lí vi sinh vat hiếu khí 56

12 | Bảng 3.9 Độ chuyền hóa của dung địch MO với mâu T10, va cac mau pha tạp crom khác nhau khi 58

chiêu xạ băng ánh sáng mặt trời

nay là các kim loại, oxit kim loại, chất bán dẫn, carbon [Š]

Trong các vật liệu trên, nano TiO›; được chú ý nhiều do có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xử lý môi trường (xử lý nước ô nhiễm,

làm sạch không khí, sensor khí, ), siêu thâm trớt, năng lượng (chê tao pin mat

trời), đồng thời TiO; bền, có trữ lượng lớn và sản phẩm phân hủy của nó không độc [Š ] [9]

Đặc biệt khả năng quang xúc tác của vật liệu T1O: nano tăng lên đáng

kế khi được pha tạp với các phi kim như C, N [7] [9] [20]: kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Ag, Ni, Cr [9] [28] [31] hoặc đồng pha tạp với Fe - C, Fe -

Cr [13]

Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO; với vai trò là một chất

xúc tác quang đã được bắt đầu hơn 3 thập kỷ nay từ một phát minh của 2 nhà khoa học người Nhật - FuJishima và Honda vào năm 1972 trong việc phân huỷ nước bang phương pháp điện hoá quang với chất xúc tác TiO; [15] Sau khi phát minh này được công bố, hàng loạt những công trình khoa học về sử dụng chất xúc tác quang trong phản ứng phân huỷ nước tạo ra khí hydro và xử lý ô nhiễm môi trường đã được nghiên cứu [7|] Trong 10 năm qua, xúc tác quang hoá ngày càng trở nên hâp dẫn đối với công nghệ xử lý nước và không khí như: hiệu ứng

tự làm sạch, hiệu ứng chông mờ, xử lý nước thải, hiệu ứng kháng khuẩn, làm

sạch không khí, So sánh với các cách xử lý oxy hoá tiên tiên hiện nay thì công

nghệ xúc tác quang hoá có nhiều ưu điểm hơn như: đễ dàng lắp đặt và hoạt động

ở nhiệt độ thường, không cần phải xử lý thêm sau khi hoàn thành, mức tiêu thụ

năng lượng thấp do đó giá thành hạ [15]

Có nhiều phương pháp khác nhau đề tổng hợp TiO; có câu trúc nano như: phương pháp sol-gel, thuỷ nhiệt, nhiệt đung môi, điều chế bằng pha hơi ở nhiệt

độ thấp, vi nhũ tương, So với các phương pháp khác thì tổng hợp TiO; có cầu trúc nano bằng phương pháp thuỷ nhiệt có nhiều ưu điểm hơn: nhiệt độ kết tinh của pha anatase đưới 200°C Băng cách điều chỉnh các điều kiện phản ứng thuỷ

nhiệt như nhiệt độ, áp suất, nông độ chất phản ứng, pH của dung dịch, các loại

bazơ kiêm, ta co thé thu được vật liệu TiO› nano có kích thước, hình thái và

thành phần pha như mong muốn, năng lượng tiêu thụ ít và ít ảnh hưởng đến môi trường [31] [32] Băng phương pháp này có thể thu được cac tinh thé nano, thanh nano, đây nano, ông nano T¡O›

Việt Nam là một nước có trữ lượng titan sa khoáng khả lớn, lại năm trong

vùng nhiệt đới với thời lượng chiều sáng hàng năm của mặt trời khá cao nên tiềm năng ứng đụng vật liệu xúc tác quang là rất lớn Mặc dù đã có nhiều kết quả quan trọng về tổng hợp, biến tính và ứng dụng của vật liệu TiO; có cấu trúc nano, tuy

nhiên, việc nghiên cứu vật liệu nano T1O› vân còn là một van dé thoi sw va dang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu

Với lý do trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự pha tạp một số kửn loại

cluuyên tiếp vào vật liệu TïO; nano và ứng dụng”

Trong đề tài này, chúng tôi sẽ nghiên cứu tổng hợp, khảo sát một sô đặc

trưng, tính chất và ứng đụng của vật liệu nano T¡iO; biến tính bằng cách pha tạp với kim loại chuyển tiếp Ag va Cr

1.1 Cac dang cau tric va tinh chất của titan đioxit (TiO›) có cấu trúc nano

1.1.1 Các dạng cấu trúc của TìO› nano [9] [29]

Titan là nguyên tố phố biên thứ chín trong vỏ trái đất, tôn tại trong tự nhiên

dưới dạng các hợp chất titan đioxit (Ti0,), khoang vat inmenit (FeTiO3), TiO,

1a chat ban dan, cau tnic tinh thé ton tai 6 ba dang co ban sau: anatase, rutile,

brookite, được mô tả ở các Hình 1.1, Hình 1.2 và Hình 1.3

Hình 1.3 Cầu trúc tỉnh thê brookite

Hai dạng thù hình bên chính và được ứng dụng nhiêu là anatase và rutile,

còn brookite rất ít gặp vì đạng này không bên ở nhiệt độ thường nên ít được đề cập Anatase là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha TiO; dạng

anatase co thé chuyén hoa thanh TiO; dang rutile 6 cac điều kiện nhiệt độ phản

ứng thích hợp Theo nghiên cứu của một số tác giả, TiO; đạng anatase có thể chuyển sang đạng rutile trong khoảng nhiệt độ tir 700°C - 800°C

Hình 1.4 trình bày đa điện phối trí của T¡ trong TiO: Trong tỉnh thể anatase

các đa điện phối trí 8 mặt bị biến dang manh hon so voi rutile, khoang cach Ti-Ti

dai hon va khoang cach Ti-O ngan hon Diéu nay ảnh hưởng đến mật độ khối và

câu trúc điện tử của 2 đạng tỉnh thể, kéo theo sự khác nhau vê tính chất vật lý và

1.1.2 Tinh chat ly - héa ctia TiO,

Một số thông sô vật lý của T¡O;› được đưa ra trong Bảng 1.1

Bảng L1 Một số thông số vật lý của anatase và rutile [9]

TiO; ở kích thước nanomet, có thể tham gia một số phản ứng với axit và

kiềm mạnh TiO; có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác

quang như:

- Hap thu anh sang trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng ngoại và khả kiên truyền qua

- Là vật liệu có độ xốp cao, vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt

- Bên, không độc hại, giá thành thấp

- Ái lực bề mặt T¡iO;› đối với các phân tử rât cao, do đó đễ dàng phủ một lớp

TiO; lên các loại đề với độ bám đính tất tốt

- Nong do chat ban loang di bang cach hap phu tai bề mặt của TiO:›, nơi tạo

ra gốc hoạt tính Điều này rất thích hợp cho việc xử lý các chất khí nặng mùi hay

các vét bần ô nhiễm làm sạch không khí trong nhà

- Cac chat ban thường bị khoáng hóa hoàn toàn trên T1O›, hoặc it nhất thì

nông độ sản phẩm va chât bân đủ nhỏ có thể chấp nhận được

Tuy nhiên, tốc độ quá trình quang xúc tác bị giới hạn bởi quá trình tái

hợp của lỗ trống - điện tử, các khuyết tật của câu trúc và các ion đương ở bên ngoài Do đó, rất khó điều khiến và hạn chế trong việc ứng dụng quang xúc

tác vào nhiều lĩnh vực

1.1.3 Cơ chế quá trình quang xúc tác trên TìO;› có cấu trúc nano [Š], [9] [16]

1.1.3.1 Giản đồ niền năng lượng của anatase va rutile

TiO; ở đạng Anatase có hoạt tính quang hóa cao hon han cac dang tinh thé khác, điều này được giải thích đựa vào câu trúc vùng năng lượng Như chúng ta

đã biết, trong câu trúc của chất rắn có 3 miền năng lượng là vùng hóa trị, vùng

câm và vùng dẫn Tất cả các hiện tượng hóa học xảy ra đều là đo sự địch chuyển

electron g1ữa các miên với nhau

Anatase có năng lượng vùng câm là 3,2 eV, tương đương với một lượng tử ánh sảng có bước sóng 388 nm

Rutile có năng lượng vùng cam 14 3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sảng có bước sóng 413nm

Vùng hóa trị của anatase và rutile như chỉ ra trên giản đồ (Hình 1.5) là xấp xỉ

bằng nhau và cũng rất đương, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxi hóa mạnh Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra lỗ trồng (hole) mang điện tích đương ở vùng hóa trị Các electron khác có thể nhảy vào vị trí nay dé

bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trong Tới ngay tại vị trí mà nó

vừa đi khỏi Như vậy lỗ trông mang điện tích đương có thể tự do chuyển động trong vung hoa tri

Mn, See See Mien cam

(hy~3.CeV) QO, 20-20 (hy~32eV)

Hinh 1.5 Gian dé nding luong ctia Anatase va Rutile

Các lỗ trồng này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxi hóa nước thành OH', cũng như một số gốc hữu cơ khác:

TIO› (vs) + HO ~ OH"+H*+ TiO,

Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thê khử nước thành khí hidro (thế

chuẩn = 0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng nglữa

với một thế khử mạnh hơn Theo như giản đồ thì ở anatase, các electron chuyền

Hinh 1.6 Sur hinh thanh cac goc OH* va O,

Chính các gốc OH' và O, với vai trò là các phần tử hoạt động có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành HO va CO)

1.1.3.2 Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể

Quá trình xúc tác quang đị thể có thể được tiền hành ở pha khí hoặc pha lỏng Cũng giống như các quá trình xúc tác đị thể khác, quá trình xúc tác quang đị thể

được chia thành 6 giai đoạn như sau:

1 Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt xúc tác

2 Hấp phụ các chât tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác

3 Hấp thụ photon ánh sáng, phân tử chuyền từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích electron

4 Phản ứng quang hóa, được chia làm 2 gia1 đoạn nhỏ:

+ Phản ứng quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử bị kích thích (các phân tử

chât bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bi hấp phụ

6 Khuéch tan cac san pham vao pha khi hoac long

Tại giai đoạn 3, phản ứng xúc tác quang hoá khác phản ứng xúc tác truyền thống ở cách hoạt hoá xúc tác Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác được hoạt hoá bởi nhiệt còn trong phản ứng xúc tác quang hoá, xúc tác được

hoạt hoá bởi sự hấp thụ anh sáng

Điều kiện đề một chât có khả năng xúc tác quang:

+ Có hoạt tính quang hoá

+ Có năng lượng ving cam thích hợp đề hấp thụ ánh sáng cực tử ngoại hoặc ánh sáng khả kiến

Có rất nhiều chất bán dân khác nhau được sử dụng làm chất xúc tác quang nhw: TiO», ZnO, ZnS, CdS Khi được chiêu sáng có năng lượng photon (hV ) thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cam Eg (hV = Eg), thi sé tao ra

các cặp electron (ecs) va 16 trong (h’vs) Cac ecs duoc chuyén lên vùng dan

(quang electron), con cac lỗ trồng ở lại vùng hoá tri [6]

Quá trình chuyển điện tử có hiệu quả hơn nêu các phân tử chât hữu cơ và vô

cơ bị hấp phụ trước trên bề mặt chất xúc tác bán đẫn (SC) Khi đó, các quang electron ở vùng dân sẽ chuyền đến nơi có các phân tử có khả năng nhận electron (A), va qua trình khử xảy ra, còn các lỗ trồng sẽ chuyển đến nơi có các phân tử

có khả năng cho electron (D) đề thực hiện phản ứng oxi hoá theo sơ đô sau:

bị giảm bởi sự tái kết hợp của các electron và lỗ trồng (Hình 1.7)

e + h (SC)+E

Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hoà và E là năng lượng được giải phóng

ra dưới dạng bức xạ điện từ (hV* < hŸ ) hoặc nhiệt [10]

Hinh 1.7 Co che xtc tac quang cua chat ban dan

Hiệu quả của quá trình quang xúc tác có thể được xác dinh bang hiéu suat

lượng tử, đó là tỉ lệ giữa số sự kiện xảy ra trên số photon hâp thụ Việc đo ánh

sang bi hap thụ thực tế rất khó khăn ở trong hệ dị thể vì sự tán xạ của ánh sảng

bởi bề mặt chất bán dẫn Đề xác định hiệu suất lượng tử chúng ta phải tuân theo

2 định luật quang hóa sau đây:

Dinh luat Grotthuss va Draper: Chi co anh sang bi hé hap thu moi co kha

năng gây ra phản ứng, hay nói cách khác là phản ứng quang hóa chỉ xây ra khi

ánh sáng được hấp thụ bởi các phân tử bán dẫn

Định luat Einstein: Mot photon hay luong tit anh sang bi hap thu thi chi co

khả năng kích thích một phân tử trong giai đoạn sơ cấp

Hiệu suât lượng tử của hệ lý tưởng (?) được xác định bởi hệ thức đơn giản:

AN Số phân tử phản ứng

@ — —

ANo Số photon bi hap thu

Khi một phân tử chất bán dẫn bị kích thích và phân ly ra một electron kèm

theo một lỗ trống, số electron này có thể chuyển tới chất phản ứng, ta gọi là N.,

số còn lại kết hợp với lỗ trông đề tạo lại một phân tử trung hòa N¿ Theo định

luat Einstein ta co:

Ở đây ta thừa nhận sự khuếch tán của sản phẩm vào dung địch xảy ra rất nhanh, không có phản ứng ngược tách điện tử của A-, và tách lỗ trống của D', để tăng hiệu suất lượng tử (Ø) thì chúng ta phải nghĩ cách tăng tốc độ chuyền điện

tử K, và giảm tốc độ tái kết hợp electron với 16 trồng K¿ “Bãy điện tích” được sử

dụng đề thúc đây sự bãy điện tử và lỗ trồng ở bề mặt, tăng thời gian tổn tại của electron và lỗ trồng trong bán dẫn Điều này dẫn tới việc làm tăng hiệu quả của quá trình chuyển điện tích tới chât phản ứng

“Bay điện tích' có thể được tạo ra bằng cách biến tính bề mặt chất bán dẫn như đưa thêm kim loại, chất biến tính vào hoặc sự tổ hợp với các chât bán dân khác dẫn tới sự giảm tốc độ tái kết hợp điện tử - lỗ trống và tăng hiệu suất lượng

tử của quả trình quang xúc tác

Với một số lý đo trên mà một số phi kim (N, C ), kim loại chuyền tiếp (Ag Cr, ) được lựa chọn như là những nguyên tô pha tạp (đoping) có hiệu quả tốt

trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác T1O:

1.2 Một số phương pháp tổng hop TiO: có câu trúc nano [9] [22]

1.2.1 Phirong phap sol - gel

Phương pháp sol - gel đã được sử đụng trong các quy trình tổng hợp nhiều loại gôm khác nhau Trong phương pháp sol - gel, dạng keo huyền phù hoặc dạng sol được hình thành từ sự thủy phân và các phản ứng polyme hóa các chất

đầu Các chất đầu thường được sử đụng như các muối kim loại vô cơ, các alkoxit

kim loại

Dang hat nano tinh thể hoat tinh cao TiO có câu trúc anatase với kích thước và dạng hình học khác nhau có thể thu được đo sự ngưng tụ polyme kiểu

titan alkoxit cung voi su có mặt của tetrametyl amonihydroxit

Theo nghiên cứu của một số tác giả nhận thây, sử dụng phương pháp sol - gel thu được các dạng hạt T1O› cùng với kích thước và hình dạng khác nhau bang cách thay đổi các thông số trong quá trình tổng hợp như pH, chất định

hướng câu trúc và chất hoạt động bề mặt cho vật liệu nano TiO› Phương pháp

sol - gel cũng có thể được sử dụng dé thu dang ống nano băng cách sử dụng màng và các hợp chât hữu cơ khác

Phương pháp sol - gel có các ưu điểm như: sản phẩm có độ đông đều và

độ tinh khiết cao, nhiệt độ kết khối không cao, chế tạo được mang mong va co

thể tổng hợp được hạt có kích thước nano Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp sol - gel là: nguyên liệu ban đầu khá đắt tiền, độ co ngót của sản phẩm cao, dung địch hữu cơ sử dụng trong quá trình chế tạo có thể rất nguy hiểm,

thời gian chế tạo lâu

1.2.2 Plurơng pháp tltiy nhiét

Tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt dựa trên áp suất hơi nước ở nhiệt

độ cao, thường được thực hiện trong thiết bị autoclave gom vo boc thép va binh Teflon Nhiệt độ có thể được đưa lên cao hon nhiệt độ sôi của nước trong phạm

vi ap suất hơi bão hòa Nhiệt độ và lượng dung dịch hon hop dia vao autoclave

sẽ tác động trực tiếp đến áp suât xảy ra trong quá trình thủy nhiệt Phương pháp

này đã được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các sản phẩm trong công nghiệp gồm,

sứ với các hạt mịn kích thước nhỏ Rất nhiều nhóm nghiền cứu đã từng sử dụng

phương pháp thủy nhiệt nhằm điều chê các hạt TiO› kích thước nano

Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm như: kích thước hạt nhỏ, đồng

đều độ tinh khiết cao, sản phẩm kết tinh nhanh thiết bị đơn giản, kiểm soát được nhiệt độ và thời g1an thủy nhiệt nhưng vân còn hạn chê về động học

1.2.3 Plurơng pháp vỉ sóng

Tân sô vi sóng thường năm trong khoảng 900 - 2450 MHz Ứng dụng chính

của việc sử đụng vi sóng trong các quá trình công nghiệp là truyền nhiệt nhanh,

nhiệt cục bộ lớn

Bức xạ vi sóng được ứng dụng dé điều chế các loại vật liệu nano TiO› có

kích thước khác nhau Nhiều công trình nghiên cứu của một sô tác giả đã sử dụng bức xạ vi sóng để điều chế TiO› nano như: tìm ra hệ keo huyền phù hạt TiO; nano có thể được điều chế từ 5 phút đến 1 giờ với bức xạ vi sóng, trong khi phải mắt 1giờ đến 32 giờ đối với phương pháp thủy phân cưỡng bức thông thường ở 195°C, phát triển sợi T¡O; nano chất lượng cao với phương pháp thủy

nhiét vi song va phat hién ra chung tụ hợp lại trong hạt nano hình cầu nhỏ hon,

điều chế ống TiO› nano bằng bức xạ vi sóng thông qua phản ứng của tinh thể

TiO; đạng anatase, rutile hay hỗn hợp giữa chúng và dung địch NaOH dưới tác

động của nguôn vi sóng

Ưu điểm chính của việc đưa vi sóng vào trong hệ phản ứng là tạo động học

cho sự tổng hợp cực nhanh Phương pháp này đơn giản và đễ lặp lại

1.2.4 Phong phap vi nhii trong

Đây là một trong những phương pháp triển vọng dùng để điều chế các hạt

có kích thước nano Hệ vi nhũ tương gồm có một pha dầu, một pha chất có hoạt tính bề mặt và một pha nước Hệ này là hệ phân tán bền, đẳng hướng của pha nước trong pha dầu Đường kính của các giọt khoảng từ 5-20 nm Các phản ứng hoá học xảy ra khi các giọt chất nhũ tương tiếp xúc nhau và hình thành nên các

hạt có kích thước nanomet

Gan dây, phương pháp vi nhũ tương đã được ứng dụng thành cong dé tong

hop TiO; co kich thước hạt nanomet với nguyên liệu chính là các alkoxide của titan và các hệ tạo nhũ khác nhau

Tuy nhiên, đây là phương pháp có chi phí cao do phải sử dụng một lượng

lớn dung môi và chất hoạt động bề mặt

1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu [4]

1.3.1 Nhiéu xa tia X (XRD)

Theo lý thuyết câu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây đựng từ các

nguyên tử hay 1on phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định

Khi chùm tia X tới bề mặt tỉnh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tỉnh thể thì

mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt Các nguyên tử, ion DỊ kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phan xa

Hơn nữa các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt song song, do

đó hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh

nhau được tính như sau:

A = 2d,¡.sinÐ

Trong đó: d - khoảng cách giữa hai mặt song song; 9 - goc gitta chum tia

X với mặt phản xạ, A - hiệu quang trình của hai tia phản xạ (Hình 1.8)

⁄ S5 |7

Đây là hệ thức Vulf-Bragg, là phương trình cơ bản để nghiên cứu câu

tric tinh thé Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đô, có thể suy ra d theo công thức trên So sánh giả trị dụ vừa tìm được với d chuẩn sẽ tìm được câu

trúc mạng tinh thể của chât cần nghiên cứu Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột Mẫu được tạo thành bột với mục đích nhiều tinh thể có định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng một sô lượng lớn hạt có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg Kết quả phân tích định tính và định lượng băng tia X cho biết câu trúc và thông sô mạng cho từng pha,

biết được mẫu gồm các hợp chất hóa học nào, cùng một hợp chất có mấy loại cầu trúc tinh thể, tỷ lệ giữa các pha và các đạng cầu trúc Quan hệ giữa cường

độ tia X nhiễu xạ I, và nồng độ của một pha ¡ tương ứng nào đó trong hỗn hợp được xác định băng phương trình:

Phương pháp này sử dụng rộng rãi để nghiên cứu thành phan, cau tric

tinh thể của vật liệu Hiện nay, nhờ các số liệu chuẩn chỉ tiết của vật liệu được

lưu trữ trong thư viện máy, có thể xử lý trực tiếp các thông tin của mẫu nghiên cứu mà không cần thêm thao tác nào của người vận hành

Ngoài ra, phương pháp XRD còn được sử đụng để tính kích thước hạt Dựa vào góc phản xạ 9, nửa độ rộng phố ÿ¡, bước sóng 2 Scherrer đưa ra phương trình tính kích thước hạt như sau:

1.3.2 Hiên vi điện tử quét (SEM) và hiển vỉ điện tử truyền qua (TEM)

SEM và TEM đều sử dụng chùm tia điện tử đề nghiên cứu mâu (Hình

1.9) Khi chùm điện tử đập vào mẫu nghiên cứu sẽ phát ra các chùm điện tử phản

xạ và điện tử truyền qua gọi là các chùm điện tử thứ cấp Các điện tử phản xạ và

truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phân thu và biến đối thành tín

hiệu điện, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sang,

trên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn Độ sáng tôi

trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào

hình dạng mẫu nghiên cứu Tùy theo tương tác giữa chùm điện tử với mâu nghiên cứu mạnh hay yếu mà trên màn huỳnh quang xuất hiện điểm sáng hay tối

Mẫu nghiên cứu

SEM

Hình 1.9 Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vỉ điện tử

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Trong kinh hién vi dién tt truyén qua (TEM), thong tin vé mau durgc tao nên khi chùm điện tử truyền qua mâu đã đi qua một hệ thống các thâu kính, cho

ảnh trên màn huỳnh quang hoặc phim ảnh dưới dạng nhiễu xạ điện tử hoặc hiển

vi điện tử Còn trong kính hiền vi điện tử quét (SEM), tạo ảnh băng chùm điện tử

quét trên bề mặt mâu, thông tin về mâu nhận được nhờ các tín hiệu thứ cấp được

tạo ra đo sự tương tác chùm điện tử sơ cấp với mâu nghiên cứu Phương pháp SEM thường được dùng để nghiên cứu bề mặt của vật liệu, còn phương pháp

TEM được sử dụng rât hiệu quả trong việc nghiên cứu đặc trưng bề mặt và cầu trúc vật liệu

1.3.3 Nguyén ly pho tan sac nang long tia X (EDX)

Kỹ thuật EDX chủ yêu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó,

ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng

lượng cao tương tác với vật rắn Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu

vào vật răn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật răn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử (Hình 1.10) Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z.) của nguyên tử theo

Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong

các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thâu kính điện từ Phố tia

X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và

được phân tích nhờ phế kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tổ cũng như thành phân Kỹ thuật EDX được phát triển từ những năm

1960 và thiết bị thương phẩm xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc sử dụng detector dịch chuyền Si, Li hoac Ge

1.3.4 Phép do dién tich bé mat hap phu khi Brunauer — Emmett — Teller (BET)

Phương pháp đo diện tích bề mặt BET được ứng dụng rất phổ biến để xác

định độ xốp của vật liệu Diện tích bề mặt và phân bố mao quản của mâu được

xác định bằng phương pháp hâp phụ - khử hap phụ đẳng nhiệt N: lỏng ở -196°C

trén may ASAP 2010 (Micrometics)

Áp dung phuong phap BET dé do bé mat riéng: néu V là thể tích chat bi hap phụ tương ứng với một lớp hấp phụ đơn phân tử đặc sít trén bé mat ran (cm?/g),

thừa nhận tiệt điện ngang của một phân tử N; là ø = 0,162 nm’, ta cd biểu thức

tinh Sger theo m’/g nhuw sau: Sser = 4,35.Vn

Dua vao dit liéu BET dé vé đường phan bố lõ, từ đó, tính kích thước trung

bình mao quản theo phương pháp BJH (Barett-Yoyner-Halenda), ding dé danh giá hệ thống mao quản đạng đường trễ

1.3.5 Phuong pháp pho hap thu UV-Vis

Phương phap pho hap thu UV-Vis duoc str dung dé phan tich cac hop chat

và hôn hợp, phương pháp này được gọi là phương pháp phân tích trắc quang Cơ

sở của phương pháp này là dựa vào định luật Lambert-Beer có phương trình hâp

thụ bức xạ như sau:

A=log—=elC

0

Trong đó: A - độ hấp thu anh sáng ; I., I - cường độ bức xạ điện từ trước

và sau khi qua chất phân tích; e - hệ sô hấp thụ: 1 - độ dày cuvet; C - nồng độ chât phân tích mol/L

Dựa vào độ hấp thụ ảnh sáng của dung dịch, ta xác định được nông độ của

chất tan.Từ đó xác định được mức độ phân hủy của các hợp chất khi sử đụng quá trình quang xúc tác Đề tiện theo đối hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm tổng hợp được, chúng tôi cho phân hủy các hợp chất hữu cơ có màu đậm như metyl

đa cam

1.4 Sự biến tính của TiO› [9]

TiO; kết hợp với một sô kim loại (Ag, Pt, Li, Zn, Cd, Mn, Ce, Cr, Fe, AI )

để tạo ra những điểm giữ electron quang sinh, nhờ đó hạn chê được quá trình tai

kết hợp giữa lỗ trông với các electron, đồng nghĩa với sự nâng hoạt tính xúc tác

quang của T1O›

Các cation kim loại liên két chat ché bén trong tinh thé TiO», khi nung

trong không khí sé tạo thành vật liệu có hoạt tính trong vùng ánh sáng khả kiến

Khi nung, có sự dịch chuyển điện tích từ các lớp bên trong tới bề mặt nên các

nguyên tử ở lớp sâu bên trong vẫn tạo ra được cặp điện tử - lỗ trống khi kích thích bằng ánh sáng khả kiên Như vậy, hiện tượng quang xúc tác vân xảy ra với ánh sáng khả kiên trong các tỉnh thể TiO; không pha tạp được bao xung quanh cac tinh thé TiO, da pha tạp

TiO; kết hợp với một số nguyên tô phi kim (N, S, C, F, ) tao san phẩm

có năng lượng vùng câm giảm xuống Do vậy, yêu cầu về mức năng lượng để chuyển electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn cũng giảm xuống và có thể sử dụng vùng ánh sáng khả kiên để kích thích phản ứng quang hóa Ngoài ra, khi

pha tạp các nguyên tố phi kim vào hợp chất TiO; còn có những ưu điểm về

kích thước hạt, độ tinh thể hóa và điện tích bề mặt riêng Các nghiên cứu gần

đây cho thây, khi các ion chứa nitơ thay thê khoảng 2,25% các anion trong

tinh thể T¡O: thì bước sóng kích thích nó sẽ dịch về khoảng 400 - 500 nm Khi

pha tạp liên kết Ti-O-N được tạo thành thay vì liên kết Ti-N Các nghiên cứu

cũng chỉ ra rằng, tốc độ phân hủy chất hữu cơ sẽ tăng gấp 3 lần nêu mẫu TiO>

pha tạp N được kích thích ở bước sóng 436 nm

Sử dụng phương pháp phún xạ tạo được mẫu TiO; pha tạp N đưới dang màng mỏng có màu vàng tươi Phương pháp đơn giản nhất để pha tạp TiO› với N

là nung bột TiO: voi ure trong không khi

TiO; còn có thể được kết hợp với các chất hâp phụ có hoạt tính bề mặt cao

khác như cacbon hoạt tính và zeolit nhằm tăng cường khả năng phân hủy chất ô

nhiễm Thông thường, những vật liệu nền được chọn để phủ TiO› lên không bị

mật đi trong quá trình quang xúc tác Một điều kiện nữa là trong suốt quá trình phủ, vật liệu nền không giải phóng các thành phần hóa học của TiO; đề giảm tính quang xúc tác của nó Ngoài những điều kiện trên thì việc chọn vật liệu nền còn

phụ thuộc điều kiện sử dụng, đặc tính cơ học, giá cả, Thủy tình, silic nóng

chảy, gốm, gạch men, bê tông, kim loại, các loại polyme, giây và các loại vải đều

được đùng để làm vật liệu nền Những vật liệu nên có thể ở các đạng viên tròn

nhỏ, đạng chuỗi, tấm mỏồng Có nhiều các nghiên cứu gần đây đã chê tạo vật

liệu composit T¡O;/SiO› để làm tăng khả năng quang xúc tác cũng như phạm vi

ung dung cua TiO) So di silicagel (SiO,) duoc str dung nhiêu bởi nó có điện tích

bề mặt cao, khả năng hấp phụ tốt và trơ với các phản ứng quang xúc tác của

TiO: Tính chất (như độ bên cơ học, diện tích bề mặt) của vật liệu composit TiO;/SiO› tổng hợp được phụ thuộc vào điều kiện chê tạo và kiểu tương tác giữa

TiO, va SiO> Có hai dạng tương tác cơ bản của chúng là: các lực tương tác vật

lý (như lực Van đerWalls) và các liên kết hóa học (liên kết Ti-O-Si) Kiểu tương

tác thứ nhất thường gặp khi phủ TiO; lên nên SiO› Kiểu liên kết hóa học thường gặp khi dùng phương pháp trộn lẫn hai oxit với nhau trong quá trình chế tạo

Phương pháp phủ phải đồng thời giữ được tính quang xúc tác và làm cho

TiO; liên kết chặt chẽ với vật liệu nên Tuy nhiên, để có môi liên hệ chặt chế

thường làm giảm tính quang xúc tác Quá trình xử lý nhiệt trong khi nung T1O: có

thể làm giảm điện tích bề mặt của T¡O› Một loại chất nền khác có thể được thêm

vào các hạt T1O› và cũng hạn chê sự đi chuyên của các điện tích, đó là các chât

cách điện Các kỹ thuật phủ đựơc sử dung nhv dipcoating, spincoating va spraycoating

1.5 Ứng dụng tinh chat quang xúc tác của TiO; có cầu trúc nano [5] [14]

1.5.1 Xử lý không khí ô nhiễm

Các hạt TiO; có thể được tập hợp trên các sợi giấy đề tạo ra một loại giấy

đặc biệt - giây thông minh tự khử mùi Sử dụng các tờ giây này tại nơi lưu

thông không khí như cửa số, hệ thống lọc khí trong ô tô, Các phân tử mùi,

bui ban sé bi giữ lại và phân hủy chỉ nhờ vào ánh sảng thường hoặc ảnh sáng

đèn tử ngoại Ngoài ra, loại giây này còn có tác đụng điệt vi khuân gây bệnh có

trong không khí

Hiện nay, trong nhiều loại máy điều hòa nhiệt độ có lắp đặt bộ phận có

chứa vật liệu T1O; với chức năng tiêu diệt vi khuẩn, nắm mốc và các khí ô

nhiễm Các nghiên cứu và thử nghiệm cho thây, vật liệu TiO› có khả năng xử lý NO;, các hơi dung môi hữu cơ (aldehyt, toluen, ), các khí phát sinh mùi hôi

(mercaptan, methyl sulfide, ) và thậm chí các khói thuốc lá Do đó, vật liệu

TiO; có nhiều tiềm năng để ứng dụng làm sạch không khí trong nhà và xử lý khí thải sản xuât

1.5.2 Ung dụng trong xử lÿý nước

Có thể nói, so với các lĩnh vực khác, những nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác quang của T¡O; trong xử lý nước được thực hiện đầy đủ và toàn

điện nhất

Đã có nhiều công trình xử lý được triển khai thực tế như: hệ thống xử lý

nước thải dệt nhuộm công suat 0,5 m3/h tai Tunisia (2001), hệ thống xử lý nước

ngầm bi 6 nhiễm các sản phẩm đầu mỏ chứa benzen, toluen, etylbenzen, xylen (BTEX) tại Florida- Mỹ (1992)

Ở Việt Nam cững đã có một số công trình nghiên cứu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác của T¡O: trong việc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước Chang han như, nghiên cứu về phân hủy quang xúc tác phẩm nhuộm xanh hoạt tinh 2 va d6 hoat tinh 120 bang TiO, Degussa va tia tử ngoại [3], nghiên cứu về

xử lý thuốc nhuộm azo trong môi trường nước [2]

15.3 Diệt vi khuẩn, vỉ rút, nấm

T1O: với sự có mặt của ánh sáng tử ngoại có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, bao gồm cả nâm, vi khuẩn, vi rút

Môi trường như phòng vô trùng, phòng mồ bệnh viện là những nơi yêu cầu

về độ vô trùng rât cao, công tác khử trùng cho các căn phòng này cần được tiễn hành kỹ lưỡng và khá mắt thì giờ Nếu trong các căn phòng này có sử dụng sơn

tường, cửa kính, gạch lát nên chứa TiO; thì chỉ với một đèn chiều tử ngoại chừng

30 phút là căn phòng đã hoàn toàn vô trùng

1.5.4 Tiêu diệt các tế bào ung tĨnr { l ]

Ung thư ngày nay vẫn là một trong những căn bệnh gây tử vong nhiều nhất

Việc điều trị băng các phương pháp chiêu, truyền hóa chât, phẫu thuật thường

tốn kém mà kết quả thu được không cao Một trong những ứng đụng quan trọng

của T1O: trong y học đang được nghiên cứu, hoàn thiện là tiêu diệt các tế bào

ung thư mà không cần dùng các phương pháp khác Theo đó, TiO; ở dang hat

nano sẽ được đưa vào cơ thể, tiếp cận với những tế bào ung thư Tia UV được

dẫn thông qua sợi thủy tinh quang học và chiếu trực tiếp lên các hạt TiO› Phan ứng quang xúc tác sẽ tạo ra các tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng tiêu diệt các

tê bào ung thư

Hiện nay, người ta đang thử nghiệm trên chuột băng cách cấy các tế bào để

tạo nên các khối ung thư trên chuột, sau đó, tiêm một dung dịch có chứa T1O;

vào khôi u Sau 2 - 3 ngày người ta cắt bỏ lớp đa trên, chiếu sáng vào khối u, thời gian 3 phút là đủ để tiêu điệt các tế bào ung thư Với các khối u sâu trong cơ thê

thì đèn nội soi sẽ được sử dụng để cung cấp ánh sáng

1.5.5 Ung dung tinh chất siêu thẩm wet

Trong các vật liệu mà chúng ta vẫn đang sử dụng hàng ngày, bề mặt của

chúng thường có tính kị nước ở một mức độ nào đó, đặc trưng bởi góc thâm wot

Với mặt kính, gạch men, hay các vật liệu vô cơ khác, góc thâm ướt thường là

từ 20° — 30°

Các vật liệu hữu cơ như nhựa plastic, meca góc thâm trớt thường dao động

đặc biệt Khi chúng ta tạo ra một màng mỏng T1O; ở pha anatase với kích cỡ

nanomet trên một lớp dé SiO>, phu trén mot tâm kính, các hạt nước tôn tại trên

bề mặt với góc thâm trớt chừng 20°— 40° Nếu chúng ta chiếu ánh sáng tử ngoại lên bề mặt của tâm kính thì các giọt nước bắt đầu trải rộng ra, góc thắm ướt giảm dân Đến một mức nào đó góc thắm ướt gần như bằng 0°, nước trải ra trên bề mặt thành một màng mỏng Chúng ta gọi hiện tượng này của T1O; là hiện tượng siêu

thâm tới

Góc thâm trớt rất nhỏ của nước trên bề mặt TiO› tôn tại trong khoảng một đến

hai ngày nêu không được chiếu ánh sáng tử ngoại Sau đó góc thâm ướt tăng dần

và bề mặt trở lại như cũ với goc tham wot chừng vài chục độ Tính chất siêu thâm ướt sẽ lại phục hồi nếu như bề mặt lại được chiếu sang, bang tia tử ngoại

Hién tuong siéu thâm của TiO› nano được giải thích nhu sau: khi mang TiO,

được kích thích bởi nguồn sáng có bước sóng < 388 nm sẽ có sự địch chuyển

điện tử từ vùng hoá trị lên vùng đân làm xuất hiện đồng thời cặp điện tử (e ca) và

16 trong (h*ys ) 6 ving dan va ving hoa tri

T1O; +h €cn+ h'vs

Những cặp điện tử và lỗ trồng này sẽ dịch chuyền tới bề mặt để thực hiện các

phan tng oxi hoa

+ Ở vùng dẫn: xảy ra sự khử Ti” về TỶ”

+Ở vùng hoá trị: xảy ra sự oxi hoá O” thành O;

Cơ chê vê tính siêu thầm trớt của T1O›:

Hiện tượng nay được giải thích dựa trên giả thuyết rằng có sự tạo ra các lỗ

trong thiéu oxi (oxygen vacancies) Nguyên nhân của sự hình thành các lỗ trống

©-cp + "1 =n Tas

4h+ys + 207 > O;

này là do dưới tác dụng của anh sang kích thích, các điện tích chuyền từ miền

hóa trị lên miền đẫn, tại miền hóa trị có sự oxi hóa hai nguyên tử oxi của tỉnh thể TiO; thành oxi tự đo và tại miền dẫn có sự khử Ti” thành TỶ” Hiện tượng này

chỉ xảy ra với các phân tử bề mặt, cứ bốn phân tử TiO: lại giải phóng một phân

tử oxi, hình thành trên bề mặt một mạng lưới các lỗ trống

Khi có nước trên bê mặt, các phân tử nước nhanh chóng chiêm chô các lô trông, môi phân tử chiêm một lô trông băng chính nguyên tử oxi của nó và