I. Tổng Quan Khóa Luận Nghiên Cứu Vật Liệu Phát Quang TiO2 55
Vài năm gần đây, công nghệ vật liệu nano phát triển mạnh mẽ. Vật liệu kích thước nano được chế tạo để đáp ứng nhu cầu đời sống. Khi kích thước giảm xuống nano, vật liệu có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt, thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Vật liệu nano TiO2 là một lựa chọn mới lạ nhờ tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như: vật liệu tự làm sạch, tế bào năng lượng mặt trời, điều trị và ngăn ngừa ung thư, sản xuất hydro, công nghệ chiếu sáng và thiết bị quang. Vật liệu nano TiO2 có nhiều dạng thù hình đặc biệt như: hình cầu, hình ống, hình thanh, hình dây, hình tấm và hình sợi, phù hợp với nhiều ứng dụng đặc biệt trong việc chế tạo cảm biến khí. Với ưu điểm như ổn định ở nhiệt độ cao, bền với các tác nhân môi trường, không độc hại với người sử dụng cùng với tính chất quang đặc biệt, TiO2 được sử dụng như một chất nền hiệu quả suất cao trong việc pha tạp các ion nguyên tố đất hiếm để nâng cao hiệu suất phát quang.
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu TiO2 và ứng dụng 45
TiO2 (Titanium dioxide) là một bán dẫn điển hình, hình thành ở nhiệt độ cao khi Ti tác dụng với O, có công thức hóa học TiO2. Trạng thái oxi hóa đặc trưng và bền nhất của nguyên tố Ti là +4 (TiO2) do các Ti4+ có cấu hình bền của khí hiếm (18 điện tử). TiO2 kích thước micro rất bền về mặt hóa học, trong khi TiO2 kích thước nano có thể tham gia phản ứng với các axit mạnh. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính chất lưỡng tính. TiO2 có một số tính chất ưu việt thích hợp để dùng làm chất quang xúc tác.
1.2. Vai trò của việc pha tạp đất hiếm vào TiO2 48
Vật liệu TiO2 nano có độ rộng vùng cấm khoảng 3,0 ~ 3,2 eV, có năng lượng photon thấp, do vậy, xác suất chuyển dời phát xạ cao. Vì vậy, vật liệu phát quang của ion RE trên nền TiO2 cấu trúc nano với độ chói và hiệu suất phát quang cao, phát bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy đang được quan tâm và nghiên cứu. Các ion đất hiếm sở hữu các tính chất nổi bật như: cường độ lớn, tuổi thọ dài, bước sóng phát xạ rộng từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại. Ví dụ như ion Eu, sẽ phát ra bức xạ nằm trong vùng khả kiến tại 580, 593, 613, 653 và 702 nm.
II. Phân Tích Cấu Trúc và Tính Chất Quang của TiO2 58
TiO2 tồn tại ở ba dạng đa hình riêng biệt: brookite, rutile và anatase. Trong tự nhiên, pha brookite rất phong phú nhưng không ổn định và dễ bị chuyển đổi thành những pha khác, pha anatase và rutile là phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhất. Pha rutile ổn định nhất và được hình thành trong nhiệt độ tương đối cao còn pha anatase thì được hình thành ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 450°C). Giai đoạn anatase biến đổi không thể đảo ngược thành pha rutile ở nhiệt độ cao, liên quan đến sự vỡ và hình thành các liên kết mới. Tuy nhiên, giai đoạn chuyển đổi này anatase – rutile, không diễn ra tại nhiệt độ nhất định mà còn phụ thuộc vào quá trình tổng hợp của nó và các đặc điểm khác như hình dạng và kích thước hạt.
2.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2 Anatase Rutile Brookite 52
Đơn vị cấu trúc cơ bản trong ba tinh thể TiO2 này tạo thành từ các đơn vị bát diện TiO6 và có các chế độ sắp xếp khác nhau. Ở dạng rutil, bát diện TiO6 liên kết bằng cách chia sẻ một cạnh dọc theo trục c để tạo ra các chuỗi. Các chuỗi này sau đó được liên kết với nhau bằng cách chia sẻ các nguyên tử oxy ở góc để tạo thành một khung ba chiều. Ngược lại, trong anatase, khung ba chiều được tạo ra bởi liên kết chia sẻ cạnh giữa các bát diện TiO6. Trong brookite, các khối bát diện có chung cả cạnh và góc tạo thành cấu trúc hình thoi.
2.2. Vùng năng lượng và tính chất quang của TiO2 49
TiO2 là một bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn, vùng hóa trị được lấp đầy electron, vùng dẫn hoàn toàn trống. TiO2 ở pha anatase có độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV, tương ứng với năng lượng của một lượng tử ánh sáng với bước sóng khoảng 388 nm, còn TiO2 pha rutile có độ rộng vùng cấm khoảng 3,0 eV tương ứng với năng lượng của một lượng tử ánh sáng với bước sóng khoảng 413 nm.
III. Phương Pháp Sol Gel Chế Tạo Vật Liệu TiO2 Pha Tạp 59
Có rất nhiều phương pháp tiếp cận vật liệu nano TiO2 như: phương pháp lắng đọng hơi hóa học, phương pháp sol – gel, phương pháp phún xạ, phương pháp thủy nhiệt. Với các ưu điểm như phương pháp chế tạo đơn giản, sử dụng các trang thiết bị có sẵn, hóa chất dễ tìm ít độc hại, thời gian thực hiện nhanh, phương pháp sol-gel được lựa chọn để thực hiện đề tài “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm”.
3.1. Ưu điểm của phương pháp Sol Gel trong tổng hợp TiO2 54
Phương pháp sol-gel được ưa chuộng vì tính đơn giản, dễ kiểm soát thành phần và kích thước hạt, chi phí thấp. Quá trình sol-gel bắt đầu bằng việc tạo sol (dung dịch keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển thành gel (mạng lưới rắn) thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ. Gel sau đó được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu TiO2 mong muốn.
3.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo TiO2 pha tạp đất hiếm 57
Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch tiền chất, thêm nguyên tố đất hiếm vào dung dịch, khuấy trộn để tạo sol, để yên để tạo gel, sấy khô gel, và cuối cùng là nung gel ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm. Nhiệt độ nung và thời gian nung ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu.
IV. Kết Quả Nghiên Cứu Tính Chất Quang của TiO2 RE 53
Nghiên cứu tập trung vào khảo sát cấu trúc tinh thể và tính chất của vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ huỳnh quang (PL) được sử dụng để đánh giá vật liệu. Kết quả cho thấy sự thay đổi cấu trúc và tính chất quang của TiO2 khi pha tạp các nguyên tố đất hiếm khác nhau.
4.1. Ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm đến cấu trúc TiO2 55
Việc pha tạp đất hiếm vào TiO2 có thể làm thay đổi kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và độ kết tinh của vật liệu. Phân tích XRD cho thấy sự xuất hiện của các pha mới hoặc sự thay đổi vị trí và cường độ của các đỉnh nhiễu xạ, cho thấy sự tích hợp của nguyên tố đất hiếm vào mạng lưới tinh thể TiO2.
4.2. Phổ phát xạ huỳnh quang của TiO2 pha tạp đất hiếm 58
Phổ huỳnh quang (PL) cho thấy các đỉnh phát xạ đặc trưng của các ion đất hiếm trong vùng khả kiến và hồng ngoại. Cường độ và vị trí của các đỉnh phát xạ phụ thuộc vào loại nguyên tố đất hiếm, nồng độ pha tạp và điều kiện nung. Điều này cho thấy khả năng điều chỉnh tính chất quang của TiO2 thông qua việc pha tạp đất hiếm.
4.3. Ứng dụng quang xúc tác của vật liệu TiO2 RE 50
Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 thuần và TiO2:RE được khảo sát dưới ánh sáng tử ngoại thông qua sự mất màu của dung dịch MB. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp đất hiếm có khả năng quang xúc tác cao hơn so với TiO2 thuần, do sự tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái hợp electron-lỗ trống.
V. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vật Liệu Phát Quang TiO2 59
Vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như: tế bào năng lượng mặt trời, đèn LED, cảm biến, và y sinh học. Khả năng phát xạ ánh sáng trong vùng khả kiến và hồng ngoại, cùng với tính chất quang xúc tác, làm cho vật liệu này trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng công nghệ cao.
5.1. Ứng dụng trong tế bào năng lượng mặt trời 45
TiO2 pha tạp đất hiếm có thể được sử dụng trong tế bào năng lượng mặt trời để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Các ion đất hiếm có thể hấp thụ ánh sáng và chuyển năng lượng cho TiO2, giúp tăng cường khả năng tạo ra electron và lỗ trống.
5.2. Ứng dụng trong đèn LED và thiết bị chiếu sáng 52
Vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm có thể được sử dụng trong đèn LED để tạo ra ánh sáng có màu sắc và cường độ mong muốn. Các ion đất hiếm phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, cho phép điều chỉnh màu sắc của ánh sáng phát ra.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu TiO2 RE 57
Khóa luận đã trình bày quá trình chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm bằng phương pháp sol-gel. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc pha tạp đất hiếm có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất quang của TiO2, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng trong tương lai.
6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu chính 38
Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm bằng phương pháp sol-gel, khảo sát cấu trúc và tính chất quang của vật liệu, và đánh giá hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp đất hiếm có nhiều ưu điểm so với TiO2 thuần.
6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo 48
Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo, nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm khác nhau, và phát triển các ứng dụng cụ thể của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm trong các lĩnh vực khác nhau.
