Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 và Ag-TiO2/Bentonite

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag TiO2 & Ag TiO2-Bentonite. Tìm hiểu quy trình, tính chất và ứng dụng tiềm năng của vật liệu mới.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thị Thúy
• Trường học: Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 và Ag - TiO2/bentonit.
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Bà Rịa – Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG I
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 2. CHƯƠNG II: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
• 2.1. Cấu trúc của vật liệu TiO2
• 2.2. Tính chất quang của vật liệu TiO2
• 2.3. Tính chất quang xúc tác
• 2.4. Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể
• 2.5. Cơ chế xúc tác quang của TiO2 anatase
• 2.6. Kim loại bạc
• 2.7. Vật liệu Ag-TiO2
• 2.8. Giới thiệu sét
• 2.9. Giới thiệu chung về sét
• 2.10. Cấu trúc của sét
• 2.11. Xúc tác Ag-TiO2/Bent
• 2.12. Xúc tác Ag-TiO2/Bent
• 2.13. Các phương pháp đưa TiO2 lên chất mang
• 2.14. Phương pháp tẩm
• 2.15. Phương pháp kết tủa
• 2.16. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.17. Phương pháp sol-gel
• 3. CHƯƠNG III: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương tiện nghiên cứu
• 3.2. Dụng cụ, thiết bị
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4. Pha chế dung dịch chuẩn AgNO3 2,5%
• 3.5. Tổng hợp vật liệu Ag - TiO2
• 3.6. Tổng hợp Ag - TiO2/Bent
• 3.7. Khảo sát tính chất vật liệu tổng hợp bằng các phương pháp vật lí hiện đại
• 3.8. Phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X
• 3.9. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả phân tích đặc tính của xúc tác
• 4.2. Kết quả phân tích X-ray của các vật liệu
• 4.3. Vật liệu Ag/TiO2 nung ở 600oC và 700oC
• 4.4. Vật liệu Ag-TiO2/Bent nung ở 600oC và 700oC
• 4.5. Kết quả phân tích ảnh SEM
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Ag TiO2 Tiềm Năng Ứng Dụng Vượt Trội

Tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất phenol. Các hợp chất này, phát sinh từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về hiệu quả và chi phí. Trong bối cảnh đó, phương pháp quang xúc tác nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, có khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các sản phẩm vô cơ ít độc hại hơn. TiO2 là chất xúc tác quang hóa được sử dụng rộng rãi, nhưng hiệu quả của nó bị giới hạn bởi khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tia UV. Để khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học đã nghiên cứu biến tính TiO2 bằng cách cấy thêm các nguyên tố khác, mở ra khả năng xúc tác ngay trong vùng ánh sáng khả kiến. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 và Ag-TiO2/bentonit hướng đến mục tiêu tận dụng tối đa ánh sáng mặt trời, giảm chi phí năng lượng và nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu Ag-TiO2 và Ag-TiO2/bentonit, đồng thời sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát đặc tính hóa lý của vật liệu. Các kết quả nghiên cứu hứa hẹn đóng góp vào việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả và thân thiện với môi trường. Vật liệu Ag-TiO2 nanocomposites hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho việc xử lý nước thải bằng Ag-TiO2. Việc cải tiến hiệu suất quang xúc tác là vô cùng cần thiết để giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về vật liệu Ag-TiO2, các phương pháp tổng hợp, đặc tính và ứng dụng tiềm năng của chúng.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Vật Liệu Quang Xúc Tác Ag TiO2

Vật liệu Ag-TiO2 là một loại vật liệu nanocomposite kết hợp giữa nano bạc (Ag) và titanium dioxide (TiO2). Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có nhiều đặc tính ưu việt, đặc biệt là khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến. TiO2, một chất bán dẫn phổ biến, có khả năng hấp thụ ánh sáng UV và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, từ đó kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử. Tuy nhiên, do TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV, nên hiệu quả ứng dụng thực tế bị hạn chế. Việc bổ sung nano bạc (Ag) vào TiO2 giúp mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến nhờ hiệu ứng surface plasmon resonance (SPR), tăng cường khả năng photocatalytic activity.

1.2. Vai Trò Của Nano Bạc Ag Trong Vật Liệu Ag TiO2

Nano bạc (Ag) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO2. Sự có mặt của nano bạc (Ag) giúp tạo ra các trung tâm bắt giữ electron, làm giảm sự tái hợp của các cặp electron-lỗ trống, từ đó tăng cường hiệu quả electron-hole separation. Ngoài ra, nano bạc (Ag) còn có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến thông qua hiệu ứng surface plasmon resonance (SPR). Khi ánh sáng chiếu vào nano bạc (Ag), các electron trên bề mặt sẽ dao động tập thể, tạo ra một trường điện từ mạnh. Trường điện từ này có thể truyền năng lượng cho TiO2, giúp TiO2 hấp thụ ánh sáng khả kiến và kích hoạt quá trình quang xúc tác. Kích thước và phân bố hạt nano Ag trên TiO2 có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quang xúc tác.

1.3. Cấu Trúc Và Tính Chất Đặc Trưng Của Ag TiO2 Nanocomposites

Cấu trúc vật liệu Ag-TiO2 thường bao gồm các hạt nano bạc (Ag) phân tán trên bề mặt TiO2. Kích thước hạt nano Ag và cách chúng phân bố trên bề mặt TiO2 có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang và tính chất xúc tác của vật liệu. Vật liệu Ag-TiO2 có band gap hẹp hơn so với TiO2 nguyên chất, cho phép chúng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài hơn. Tính chất quang xúc tác của Ag-TiO2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt nano Ag, phân bố hạt nano Ag trên TiO2, cấu trúc tinh thể của TiO2, và điều kiện môi trường. Sự tương tác giữa Ag và TiO2 cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu quả quang xúc tác. Ag-TiO2 nanocomposites thường có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ và phản ứng.

II. Cách Tổng Hợp Ag TiO2 Các Phương Pháp Bí Quyết Tối Ưu

Việc tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của vật liệu. Có nhiều phương pháp tổng hợp Ag-TiO2 khác nhau, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp tẩm, phương pháp khử quang hóa, và phương pháp phún xạ. Lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về cấu trúc vật liệu Ag-TiO2, kích thước hạt nano Ag, phân bố hạt nano Ag trên TiO2, và chi phí sản xuất. Việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposite là rất quan trọng để đạt được hiệu quả quang xúc tác cao. Các yếu tố cần xem xét bao gồm nồng độ tiền chất, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, và môi trường phản ứng. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu quang xúc tác mới, thân thiện với môi trường và có khả năng mở rộng quy mô sản xuất.

2.1. Phương Pháp Sol Gel Quy Trình Chi Tiết Và Ưu Nhược Điểm

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp tổng hợp Ag-TiO2 phổ biến nhất. Quy trình sol-gel bao gồm các bước chính: hình thành sol, gel hóa, làm khô, và nung kết. Trong bước hình thành sol, các tiền chất (thường là alkoxide kim loại) được hòa tan trong dung môi và thủy phân để tạo thành các hạt nano oxit kim loại. Các hạt nano này sau đó kết tụ lại với nhau để tạo thành mạng lưới gel. Quá trình làm khô loại bỏ dung môi khỏi gel, và quá trình nung kết làm tăng độ bền cơ học của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp sol-gel bao gồm khả năng kiểm soát kích thước hạt, thành phần, và cấu trúc của vật liệu. Tuy nhiên, phương pháp sol-gel cũng có một số nhược điểm, bao gồm chi phí tiền chất cao và thời gian tổng hợp dài.

2.2. Phương Pháp Tẩm Đơn Giản Hiệu Quả Và Dễ Thực Hiện

Phương pháp tẩm là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp Ag-TiO2. Trong phương pháp này, TiO2 được tẩm với dung dịch chứa nano bạc (Ag). Sau đó, vật liệu được làm khô và nung kết để tạo thành Ag-TiO2. Ưu điểm của phương pháp tẩm bao gồm chi phí thấp và dễ thực hiện. Tuy nhiên, phương pháp tẩm thường khó kiểm soát phân bố hạt nano Ag trên TiO2. Để cải thiện phân bố hạt nano Ag trên TiO2, có thể sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc điều chỉnh pH của dung dịch tẩm.

2.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Tổng Hợp Ag TiO2

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của việc tổng hợp Ag-TiO2. Các yếu tố này bao gồm loại tiền chất, nồng độ tiền chất, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, và môi trường phản ứng. Việc lựa chọn tiền chất phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của vật liệu. Nồng độ tiền chất ảnh hưởng đến kích thước hạt và phân bố hạt nano Ag trên TiO2. Nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến quá trình hình thành và kết tinh của Ag-TiO2. Môi trường phản ứng (ví dụ, pH, sự có mặt của oxy) có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.

III. Ứng Dụng Ag TiO2 Khử Khuẩn Xử Lý Nước Thải Hơn Thế

Ứng dụng của Ag-TiO2 rất đa dạng, từ xử lý nước thải đến khử trùng và ứng dụng kháng khuẩn. Khả năng quang xúc tác của Ag-TiO2 được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Tính chất kháng khuẩn của Ag-TiO2 được ứng dụng trong các sản phẩm y tế và tiêu dùng. Ngoài ra, Ag-TiO2 còn được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực khác như pin mặt trời, cảm biến, và điện tử. Hiệu quả quang xúc tác của Ag-TiO2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ ánh sáng, thành phần chất ô nhiễm, và điều kiện môi trường. Các nghiên cứu đang được tiến hành để tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác của Ag-TiO2 và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu.

3.1. Ag TiO2 Trong Xử Lý Nước Thải Cơ Chế Hiệu Quả

Ag-TiO2 là một vật liệu đầy hứa hẹn để xử lý nước thải. Cơ chế xử lý nước thải bằng Ag-TiO2 dựa trên quá trình quang xúc tác. Khi Ag-TiO2 được chiếu sáng, các cặp electron-lỗ trống được tạo ra, kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Hiệu quả xử lý nước thải bằng Ag-TiO2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại chất ô nhiễm, nồng độ chất ô nhiễm, cường độ ánh sáng, và pH của nước thải. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng Ag-TiO2 có hiệu quả trong việc loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và dược phẩm.

3.2. Ứng Dụng Kháng Khuẩn Của Ag TiO2 Trong Y Tế Đời Sống

Ag-TiO2 có ứng dụng kháng khuẩn tiềm năng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế và đời sống. Nano bạc (Ag) có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn, nấm, và virus. Khi kết hợp với TiO2, nano bạc (Ag) có thể tăng cường hiệu quả kháng khuẩn nhờ khả năng tạo ra các gốc tự do oxy hóa. Ag-TiO2 được sử dụng trong các sản phẩm y tế như băng gạc, catheter, và lớp phủ bề mặt để ngăn ngừa nhiễm trùng. Trong đời sống, Ag-TiO2 được sử dụng trong các sản phẩm như sơn, vải, và vật liệu xây dựng để ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc.

3.3. Ag TiO2 Tiềm Năng Phát Triển Các Ứng Dụng Mới

Ngoài các ứng dụng đã được biết đến, Ag-TiO2 còn có tiềm năng phát triển các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, Ag-TiO2 có thể được sử dụng trong pin mặt trời để tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng. Ag-TiO2 cũng có thể được sử dụng trong các cảm biến để phát hiện các chất ô nhiễm hoặc các chất độc hại. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của Ag-TiO2 đang được tiến hành rộng rãi trên toàn thế giới.

IV. Nghiên Cứu Vật Liệu Ag TiO2 Ag TiO2 Bentonite Đồ Án

Đồ án tập trung vào nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 và Ag - TiO2/bentonit. Mục tiêu chính là nghiên cứu khả năng xúc tác quang hóa của hai loại vật liệu này. Các phương pháp vật lí hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để khảo sát các đặc tính hóa lý của vật liệu. Kết quả phân tích X-ray cho thấy sự hình thành của TiO2 dạng anatase và sự có mặt của Ag trong cả hai vật liệu. Ảnh SEM cho thấy sự khác biệt về cấu trúc bề mặt giữa bentonite và vật liệu Ag-TiO2/bentonit, với sự hình thành của các hạt có kích thước nano trên bề mặt vật liệu composite. Đồ án này góp phần vào việc hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và tiềm năng ứng dụng của vật liệu Ag-TiO2 trong lĩnh vực xử lý môi trường.

4.1. Phương Pháp Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu

Trong đồ án, xúc tác được tổng hợp theo phương pháp sol-gel. Huyền phù sét 2% được điều chế bằng cách hòa tan 2g sét trong 100ml nước cất, khuấy liên tục trong vòng 1 ngày. Các bước cụ thể trong quá trình tổng hợp và các thông số thí nghiệm (ví dụ, nồng độ axit acetic, TIOT, AgNO3, nhiệt độ sấy và nung) được trình bày chi tiết trong đồ án. Mục tiêu là thu được vật liệu Ag-TiO2/Bent với hiệu quả quang xúc tác cao.

4.2. Kết Quả Phân Tích XRD SEM Đánh Giá Đặc Tính Vật Liệu

Kết quả phân tích XRD cho thấy sự xuất hiện của TiO2 dạng anatase và rutile (trong mẫu Ag-TiO2/bentonit nung ở 700oC), cũng như sự có mặt của Ag. Các peak chuẩn của Ag xuất hiện tại các vị trí góc nhiễu xạ đặc trưng. Ảnh SEM cho thấy sự khác biệt về cấu trúc bề mặt giữa bentonite và vật liệu Ag-TiO2/Bent, với sự hình thành của các hạt có kích thước nano trên bề mặt vật liệu composite.

4.3. Thảo Luận Về Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Nung Lên Cấu Trúc Ag TiO2

Kết quả cho thấy sự chuyển pha từ anatase sang rutile xảy ra khi nung vật liệu Ag-TiO2/bentonit ở nhiệt độ 700oC. Điều này có thể giải thích bằng quá trình chuyển pha trong quá trình nung. Nhiệt độ nung là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của Ag-TiO2. Việc lựa chọn nhiệt độ nung phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả quang xúc tác.

V. Kết Luận Triển Vọng Tương Lai Của Vật Liệu Ag TiO2

Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu Ag-TiO2/Bent có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến và đã được điều chế thành công trong quy mô phòng thí nghiệm. Các phương pháp vật lí hiện đại đã được sử dụng để khảo sát các đặc tính hóa lý của vật liệu. Việc cấy thêm bạc vào TiO2 và đưa lên giá thể bentonit đã chuyển vùng hấp thụ quang từ vùng tử ngoại về vùng ánh sáng có bước sóng dài hơn, mở ra triển vọng ứng dụng xúc tác Ag-TiO2/Bent để xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong điều kiện chiếu xạ của ánh sáng mặt trời. Nghiên cứu này mở ra những hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả và thân thiện với môi trường.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đóng Góp

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và đặc trưng hóa vật liệu Ag-TiO2/Bent. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường. Đồ án cũng đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các thông số tổng hợp (ví dụ, nhiệt độ nung) lên cấu trúc và tính chất của Ag-TiO2.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Phát Triển Ứng Dụng

Để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất tốt hơn, có thể xem xét các hướng phát triển sau: Nghiên cứu đưa quy trình sản xuất vật liệu quang xúc tác trên quy mô công nghiệp. Thiết kế hệ thống xử lí phenol trong nước thải bằng xúc tác Ag-TiO2/bentonit trên quy mô công nghiệp. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá tính ổn định và khả năng tái sử dụng của vật liệu Ag-TiO2.

5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Ag TiO2 Trong Tương Lai

Vật liệu Ag-TiO2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai, đặc biệt là trong các lĩnh vực liên quan đến bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Việc phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả và chi phí thấp sẽ giúp Ag-TiO2 trở thành một giải pháp xử lý ô nhiễm phổ biến và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp để xử lý các hợp chất phenol, một trong những phương pháp quan trọng đã và đang hứa hẹn đem đến những thành tựu to lớn cho con người đó là phương pháp quang xúc tác. Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả xử lý cao và có khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hơn. Chất được sử dụng rộng rãi làm xúc tác quang hóa là TiO2, tuy nhiên chất này chỉ phát huy tối đa hiệu quả xúc tác dưới tác dụng của bức xạ UV, điều đó gây khó khăn cho việc ứng dụng vào thực tiễn. Một vài nghiên cứu gần đây trên vật liệu TiO2 được cấy thêm một số nguyên tố khác đã chỉ ra rằng vật liệu mới có khả năng xúc tác ngay trong vùng ánh sáng khả kiến.

Trên những cơ sở khoa học và thực tiễn đó chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Ag-TiO2 và Ag - TiO2/bentonit”.2 Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp xúc tác Ag-TiO2 và đưa lên giá thể là bentonit. - Nghiên cứu các tính chất của vật liệu xúc tác Ag-TiO2 và Ag-TiO2/bentonit bằng các phương pháp hiện đại.3 Phương pháp nghiên cứu - Xúc tác được tổng hợp theo phương pháp sol-gel. - Đánh giá kết quả thu được và đưa ra nhận xét cho đối tượng nghiên cứu. Chuyên ngành Hóa dầu Trang 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.

Cấu trúc của vật liệu TiO2 TiO2 trong tự nhiên tồn tại ba dạng thù hình khác nhau là rutile, anatase, và brookite (hình 2. Cả ba dạng tinh thể này đều có chung một công thức hóa học TiO2, tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng là khác nhau. Hằng số mạng, độ dài liên kết Ti-O, và góc liên kết của ba pha tinh thể được trình bày trong bảng 2. Titanium (IV) oxide (II) có một pha bền đó là pha rutile và hai pha giả bền là anatase và brookite.

Cả hai pha giả bền chuyển thành pha rutile khi vật liệu được nung ở nhiệt độ trên 700oC [9] (915oC cho pha anatase và 750oC cho pha brookite). Các dạng thù hình khác nhau của TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite. Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxy chung (hình 2. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-.

Chuyên ngành Hóa dầu Trang 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu Hình 2. Khối bát diện của TiO2. Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết. Pha rutile và anatase lần lượt chứa 6 và 12 nguyên tử tương ứng trên một ô đơn vị.

Trong cả hai cấu trúc, mỗi cation Ti4+ được phối trí với sáu anion O2- và mỗi anion O2- được phối trí với ba cation Ti4+. Trong mỗi trường hợp nói trên khối bát diện TiO6 bị biến dạng nhẹ, với hai liên kết Ti-O lớn hơn một chút so với bốn liên kết còn lại và một vài góc liên kết lệch khỏi 90o. Sự biến dạng này thể hiện trong pha anatase rõ hơn trong pha rutile. Mặt khác, khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile.

Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học. Cấu trúc tinh thể của TiO2: (a) rutile, (b) anatase. Chuyên ngành Hóa dầu Trang 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu Các thông số Rutile Anatase Cấu trúc tinh thể Tứ diện Tứ diện Thông số a=b (Ao) 4,58 3,78 mạng c (Ao) 2,95 9,49 Khối lượng riêng (g/cm3) 4,25 3,895 Chiết suất 2,75 2,54 Độ rộng vùng cấm (eV) 3,05 3,25 Nhiệt độ cao chuyển Nhiệt độ nóng chảy 1830-1850 oC thành rutile o Độ dài liên kết Ti-O (A ) 1,94 1,95 Bảng 2. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase.

Pha brookite có cấu trúc phức tạp, độ dài của liên kết Ti-O cũng khác nhiều so với các pha anatase và rutile [11]. Có rất ít tài liệu nghiên cứu về pha brookite. Cấu trúc tinh thể của TiO2: brookite. Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp.

Hai pha này cũng được sử dụng trong thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác. Các mẫu TiO2 phân tích trong các nghiên cứu hiện nay bắt đầu được tổng hợp từ pha anatase và trải qua một quy trình nung để đạt được pha rutile bền [10]. Brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuy vậy bị hạn chế bởi việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase là điều khó khăn. Mặt khác, do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần còn lại của đề tài.

Chuyên ngành Hóa dầu Trang 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu 2. Tính chất quang của vật liệu TiO2 Cấu trúc điện tử của chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang xúc tác. Không giống như một chất dẫn điện, một chất bán dẫn bao gồm vùng dẫn (CB - Conduction Band) và vùng hóa trị (VB - Valence Band). Năng lượng khác biệt giữa hai mức này được gọi là năng lượng vùng cấm (Eg).

Nếu không có sự kích thích, điện tử lấp đầy vùng hóa trị, còn vùng dẫn trống. Khi chất bán dẫn được kích thích bởi các photon với năng lượng bằng hoặc cao hơn mức năng lượng vùng cấm, các điện tử nhận được năng lượng từ các photon sẽ chuyển dời từ vùng VB lên CB. Đối với chất bán dẫn TiO2, quá trình được thể hiện như sau: Như chúng ta đã biết năng lượng vùng cấm của anatase và rutile tương ứng là 3,2 và 3,0 eV tại nhiệt độ phòng.5 trình bày phổ quang dẫn của màng anatase và rutile. Kết quả trên hình 1.5 cho thấy năng lượng ngưỡng quang dẫn của màng anatase cao hơn màng rutile.

Đây là quang dẫn do kích thích vùng và kết quả là năng lượng ngưỡng gần như phù hợp với năng lượng vùng cấm quang học. Cấu trúc vùng năng lượng của pha rutile được nghiên cứu rộng rãi. TiO2 rutile có vùng cấm thẳng (3,0 e V ). Còn bờ hấp phụ của tinh thể anatase được xác định là 3,2 eV tại nhiệt độ phòng và mở rộng tới 3,3 eV tại 4oK.

5 4 3 Rutile 2 Anatase 1 0 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 Năng lượng photon (eV) Hình 2. Phổ quang dẫn của màng anatase và rutile. Chuyên ngành Hóa dầu Trang 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu Tính chất quang học của từng pha là tương đồng, tuy nhiên có một số khác biệt nhỏ, ví dụ như bờ hấp phụ của chúng khác nhau. Bằng phương pháp thực nghiệm, người ta đã quan sát thấy rằng trong màng mỏng cấu trúc anatase có độ linh động cao hơn so với cấu trúc rutile [9].

Mặc dù cả ba dạng đều thể hiện tính chất quang nhưng anatase là cấu trúc được ưu tiên hơn trong quá trình quang xúc tác. Tính chất quang xúc tác Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời. Trong hóa học nó dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra. Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn.

Bằng cách như vậy, chất xúc tác quang làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa, cụ thể là tạo ra một loạt quy trình giống như phản ứng oxy hoá - khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hoá - khử mạnh khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp. Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể Quá trình xúc tác quang dị thể có thể được tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng. Cũng giống như các quá trình xúc tác dị thể khác, quá trình xúc tác quang dị thể được chia thành các giai đoạn như sau: (1). Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt chất xúc tác.

Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác. Hấp phụ photon ánh sáng, sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống trong chất xúc tác, và khuyếch tán đến bề mặt vật liệu. Phản ứng quang hóa, được chia làm hai giai đoạn nhỏ: - Phản ứng quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử chất xúc tác bị kích thích (các phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất hấp phụ lên bề mặt. - 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.

Nhả hấp phụ các sản phẩm. Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng. Tại giai đoạn (3), phản ứng xúc tác quang hoá khác phản ứng xúc tác truyền thống ở cách hoạt hóa xúc tác. Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác được hoạt hóa bởi Chuyên ngành Hóa dầu Trang 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu nhiệt còn trong phản ứng xúc tác quang hóa, xúc tác được hoạt hóa bởi sự hấp phụ ánh sáng.

Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang: - Có hoạt tính quang hóa. - Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp phụ ánh sáng tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy. Quá trình ban đầu của xúc tác quang dị thể với chất hữu cơ và vô cơ bằng chất bán dẫn (Semiconductor Catalyst) là sự sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống trong chất bán dẫn.