Luận văn: Điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp La và hoạt tính quang xúc tác

Luận văn thạc sĩ hóa học phân tích hóa học nghiên cứu điều chế vật liệu nano tio2 pha tạp la và thử hoạt tính quang xúc tác, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Luận Văn Thạc Sĩ Hóa Học Nghiên Cứu Điều Chế Vật Liệu Nano Tio2 Pha Tạp La Và Thử Hoạt Tính Quang Xúc Tác
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khám phá luận văn nano TiO2 pha tạp La và tiềm năng ứng dụng

Luận văn thạc sĩ hóa học về đề tài nghiên cứu điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp La và thử hoạt tính quang xúc tác mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến và xử lý môi trường. Công nghệ nano, với khả năng thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu ở quy mô nanomet, đã trở thành một cuộc cách mạng trong khoa học. Trong đó, Titan đioxit (TiO2) nổi lên như một vật liệu bán dẫn ưu việt nhờ tính bền hóa học, không độc hại, giá thành hợp lý và đặc biệt là hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ. Các hạt nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng hấp phụ và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới tác động của ánh sáng. Tuy nhiên, hiệu quả của TiO2 tinh khiết bị giới hạn bởi độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3.2 eV cho pha anatase), khiến nó chủ yếu hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV), vốn chỉ chiếm một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời. Để khắc phục nhược điểm này, việc biến tính vật liệu nano TiO2 bằng cách pha tạp các nguyên tố khác, đặc biệt là kim loại đất hiếm như Lanthanum (La), được xem là một giải pháp đột phá. Việc pha tạp La vào mạng tinh thể TiO2 không chỉ giúp thu hẹp vùng cấm, dịch chuyển bờ hấp thụ ánh sáng về vùng khả kiến mà còn có thể tạo ra các "bẫy điện tích", ngăn cản quá trình tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống, từ đó nâng cao đáng kể hiệu suất quang xúc tác. Luận văn này tập trung vào việc hệ thống hóa quy trình tổng hợp, khảo sát các yếutoos ảnh hưởng và đánh giá hiệu quả thực tiễn của vật liệu mới này.

1.1. Tầm quan trọng của công nghệ nano và vật liệu TiO2

Công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Ở kích thước này, vật liệu thể hiện những tính chất hoàn toàn mới lạ so với dạng khối do hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt. Vật liệu nano TiO2 là một trong những sản phẩm tiêu biểu nhất, được ứng dụng rộng rãi trong sơn tự làm sạch, pin mặt trời, và đặc biệt là xúc tác quang hóa xử lý ô nhiễm. Khả năng phân hủy các chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O dưới ánh sáng mặt trời khiến TiO2 trở thành giải pháp xanh cho các vấn đề môi trường. Nghiên cứu này kế thừa và phát triển các thành tựu đó, hướng tới việc tạo ra một vật liệu hiệu quả hơn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn thạc sĩ hóa học

Luận văn đặt ra ba mục tiêu cốt lõi. Thứ nhất, nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 có kích thước được kiểm soát bằng phương pháp sol-gel, một phương pháp phổ biến cho phép tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết và đồng đều cao. Thứ hai, thực hiện quá trình pha tạp La vào mạng tinh thể TiO2 và khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp như nồng độ pha tạp, nhiệt độ nung đến cấu trúc và hình thái vật liệu. Cuối cùng, đánh giá và so sánh hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2 pha tạp La so với TiO2 tinh khiết thông qua phản ứng phân hủy thuốc nhuộm xanh metylen (MB).

II. Giải mã thách thức Vì sao cần pha tạp La vào nano TiO2

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, vật liệu nano TiO2 tinh khiết vẫn đối mặt với những thách thức đáng kể làm hạn chế hiệu quả ứng dụng trong thực tế. Trở ngại lớn nhất đến từ cấu trúc vùng năng lượng của nó. Độ rộng vùng cấm của TiO2 pha anatase là khoảng 3.2 eV, điều này có nghĩa là chỉ các photon có năng lượng cao, tức là ánh sáng trong vùng tử ngoại (UV) với bước sóng nhỏ hơn 388 nm, mới đủ sức kích hoạt các cặp điện tử - lỗ trống để khởi đầu quá trình quang xúc tác. Trong khi đó, bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 4-5% tổng năng lượng từ ánh sáng mặt trời, phần lớn còn lại nằm trong vùng ánh sáng khả kiến (visible light) và hồng ngoại. Điều này dẫn đến việc lãng phí một nguồn năng lượng khổng lồ và làm giảm hiệu suất xử lý môi trường trong điều kiện tự nhiên. Một vấn đề khác là tốc độ tái kết hợp của cặp điện tử (e-) và lỗ trống (h+) sinh ra khá nhanh. Khi một điện tử được kích thích lên vùng dẫn, nó có xu hướng nhanh chóng quay trở lại vùng hóa trị để tái hợp với lỗ trống, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt thay vì tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử trên bề mặt. Quá trình tái hợp này là một trong những nguyên nhân chính làm suy giảm hiệu suất lượng tử của quá trình quang xúc tác. Chính vì vậy, việc pha tạp La vào cấu trúc TiO2 được xem là một giải pháp chiến lược. Ion La³⁺ có thể thay thế ion Ti⁴⁺ trong mạng tinh thể, tạo ra các sai hỏng mạng và mức năng lượng trung gian trong vùng cấm, giúp vật liệu hấp thụ được ánh sáng có năng lượng thấp hơn (vùng khả kiến).

2.1. Hạn chế của TiO2 tinh khiết Độ rộng vùng cấm lớn

Độ rộng vùng cấm (band gap) là rào cản năng lượng mà một electron phải vượt qua để di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Đối với TiO2 anatase, năng lượng này tương ứng với bức xạ UV. Việc phụ thuộc vào nguồn sáng UV không chỉ giới hạn hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời mà còn làm tăng chi phí vận hành nếu phải sử dụng đèn UV nhân tạo trong các hệ thống xử lý quy mô lớn. Do đó, mục tiêu hàng đầu của các nghiên cứu biến tính là tìm cách "thu hẹp" vùng cấm này, cho phép vật liệu tận dụng được nguồn năng lượng dồi dào từ ánh sáng khả kiến.

2.2. Vai trò của Lanthanum La trong cải thiện hiệu suất

Việc pha tạp La vào TiO2 mang lại nhiều lợi ích. Ion La³⁺ khi được đưa vào mạng lưới có thể hoạt động như những "bẫy" điện tử, giữ các electron được kích thích lại, kéo dài thời gian sống của chúng và tăng xác suất tham gia vào phản ứng khử oxy tạo thành các gốc superoxide (•O₂⁻). Đồng thời, sự hiện diện của các ion đất hiếm này cũng giúp ngăn chặn sự phát triển quá mức của các tinh thể trong quá trình nung, duy trì kích thước hạt nano và diện tích bề mặt lớn, từ đó tăng cường hoạt tính quang xúc tác tổng thể của vật liệu.

III. Hướng dẫn quy trình điều chế vật liệu nano TiO2 pha tạp La

Luận văn đã lựa chọn phương pháp sol-gel để tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp La nhờ những ưu điểm vượt trội như khả năng kiểm soát tốt thành phần, độ đồng nhất cao ở cấp độ phân tử và thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp. Quy trình bắt đầu với tiền chất titan là tetra-n-butylorthotitanat (TBOT), được hòa tan trong dung môi ethanol (C2H5OH). Axit axetic (CH3COOH) được thêm vào hỗn hợp để điều chỉnh tốc độ thủy phân, ngăn chặn sự kết tủa đột ngột và giúp tạo thành một dung dịch sol trong suốt, ổn định. Đối với vật liệu pha tạp, một dung dịch La(NO₃)₃ với nồng độ đã được xác định trước được thêm vào hỗn hợp trên. Tỉ lệ mol giữa La và Ti được kiểm soát chặt chẽ để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất pha tạp. Hỗn hợp sau đó được khuấy đều bằng máy khuấy từ gia nhiệt trong khoảng 2 giờ để đảm bảo sự phân tán đồng đều của các ion La³⁺ trong nền sol-gel. Sau giai đoạn tạo sol, hỗn hợp được để yên trong vài ngày (quá trình ủ gel) để mạng lưới polymer ba chiều hình thành hoàn chỉnh. Gel ướt thu được sẽ được sấy khô ở 80°C để loại bỏ dung môi và nước. Cuối cùng, bột tiền chất được nung ở các nhiệt độ khác nhau (từ 400°C đến 700°C) để loại bỏ các chất hữu cơ còn sót lại và thúc đẩy quá trình kết tinh, hình thành pha anatase của TiO2 có hoạt tính xúc tác cao.

3.1. Chi tiết phương pháp sol gel từ tiền chất TBOT

Quy trình phương pháp sol-gel bao gồm hai phản ứng chính: thủy phân và ngưng tụ. Ban đầu, TBOT phản ứng với nước (được thêm vào một cách có kiểm soát) để tạo ra các nhóm Ti-OH (thủy phân). Sau đó, các nhóm này sẽ phản ứng với nhau hoặc với các nhóm Ti-OR còn lại để hình thành các liên kết Ti-O-Ti (ngưng tụ), tạo nên một mạng lưới vô cơ ba chiều. Việc sử dụng axit axetic làm chất ổn định giúp làm chậm quá trình thủy phân, cho phép hình thành một cấu trúc gel đồng nhất hơn. Dung dịch La(NO₃)₃ được đưa vào giai đoạn đầu để đảm bảo các ion La³⁺ được phân bố đều trong toàn bộ khối gel.

3.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng Nhiệt độ nung và thời gian ủ gel

Nhiệt độ nung là một thông số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tinh thể, kích thước hạt và sự chuyển pha của vật liệu. Luận văn đã tiến hành nung ở các mức nhiệt 400°C, 500°C, 600°C và 700°C. Kết quả cho thấy nhiệt độ tối ưu để thu được pha anatase có độ tinh thể cao mà không bị chuyển sang pha rutile (hoạt tính thấp hơn) là khoảng 500°C. Tương tự, thời gian ủ gel (từ 1 đến 4 ngày) cũng được khảo sát để tìm ra khoảng thời gian lý tưởng cho việc hình thành mạng lưới gel hoàn chỉnh, ảnh hưởng đến cấu trúc xốp của vật liệu sau khi nung.

IV. Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu nano TiO2 La

Để xác định thành công của quá trình tổng hợp và hiểu rõ các đặc tính của vật liệu nano TiO2 pha tạp La, luận văn đã sử dụng một tổ hợp các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại. Mỗi phương pháp cung cấp những thông tin giá trị về một khía cạnh khác nhau của vật liệu, từ cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, thành phần cho đến các quá trình biến đổi nhiệt. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ không thể thiếu để xác định thành phần pha (anatase, rutile hay brookite) và độ tinh thể của bột sau khi nung. Dữ liệu từ phổ XRD còn cho phép tính toán kích thước trung bình của các hạt tinh thể thông qua công thức Scherrer. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật liệu, cung cấp hình ảnh trực quan về hình dạng, kích thước và mức độ kết tụ của các hạt nano. Thông tin này rất quan trọng để đánh giá độ đồng đều của sản phẩm. Bên cạnh đó, phân tích nhiệt (DTA-TGA) giúp theo dõi sự thay đổi khối lượng và các hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt, thu nhiệt) của mẫu gel khi gia nhiệt. Dựa vào giản đồ DTA-TGA, có thể xác định được các khoảng nhiệt độ diễn ra quá trình bay hơi dung môi, cháy chất hữu cơ và kết tinh vật liệu, từ đó lựa chọn nhiệt độ nung phù hợp. Cuối cùng, phổ hấp thụ UV-Vis được dùng để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và xác định độ rộng vùng cấm của vật liệu, một yếu tố quyết định đến hoạt tính quang xúc tác.

4.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X XRD

Phổ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau cho thấy sự hình thành rõ rệt của pha anatase. Các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho pha anatase trở nên sắc nét và cường độ cao hơn khi tăng nhiệt độ nung từ 400°C lên 500°C, chứng tỏ độ tinh thể được cải thiện. Tuy nhiên, khi nung ở nhiệt độ cao hơn (600°C - 700°C), có thể bắt đầu xuất hiện các đỉnh của pha rutile, cho thấy sự chuyển pha đã xảy ra. Kích thước tinh thể trung bình, tính theo công thức Scherrer, nằm trong khoảng nano mét, xác nhận việc điều chế thành công vật liệu ở cấp độ nano.

4.2. Khảo sát hình thái bề mặt qua hiển vi điện tử quét SEM

Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy vật liệu tổng hợp được có dạng bột mịn, bao gồm các hạt có kích thước tương đối đồng đều. Các hạt có xu hướng kết tụ lại thành các đám lớn hơn, đây là một đặc điểm phổ biến của vật liệu nano do năng lượng bề mặt cao. Việc pha tạp La dường như không làm thay đổi đáng kể hình thái tổng thể của các hạt so với TiO2 tinh khiết, nhưng có thể ảnh hưởng đến kích thước và mức độ phân tán của chúng.

4.3. Đánh giá quá trình phân hủy nhiệt qua DTA TGA

Giản đồ phân tích nhiệt (DTA-TGA) của mẫu gel TiO2 pha tạp La cho thấy một số giai đoạn giảm khối lượng rõ rệt. Giai đoạn đầu, dưới 150°C, tương ứng với sự bay hơi của nước và ethanol còn sót lại (hiệu ứng thu nhiệt trên đường DTA). Giai đoạn thứ hai, khoảng 200-400°C, là quá trình cháy các hợp chất hữu cơ (gốc butyl, axetat) với một đỉnh tỏa nhiệt mạnh. Sự ổn định khối lượng sau 500°C cho thấy quá trình phân hủy và kết tinh đã gần như hoàn tất, củng cố cho việc lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu.

V. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác trên phân hủy Methylene Blue

Hiệu quả thực sự của vật liệu nano TiO2 pha tạp La được chứng minh qua các thí nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác. Luận văn đã sử dụng xanh metylen (MB), một loại thuốc nhuộm hữu cơ phổ biến và khó phân hủy, làm chất ô nhiễm mô hình. Nồng độ của dung dịch MB được theo dõi bằng phương pháp phổ UV-Vis thông qua việc đo độ hấp thụ quang tại bước sóng cực đại (khoảng 663 nm). Thí nghiệm được tiến hành trong hai điều kiện chiếu sáng khác nhau: ánh sáng từ đèn tử ngoại (UV) và ánh sáng mặt trời tự nhiên, nhằm đánh giá khả năng hoạt động của vật liệu trong các điều kiện thực tế. Kết quả cho thấy, tất cả các mẫu TiO2 tổng hợp được đều thể hiện khả năng phân hủy MB. Đáng chú ý, các mẫu TiO2 pha tạp La cho hiệu suất xử lý cao hơn đáng kể so với mẫu TiO2 không pha tạp, đặc biệt là dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Điều này khẳng định vai trò tích cực của La trong việc mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu quả của quá trình quang xúc tác. Nồng độ pha tạp La cũng là một yếu tố quan trọng, với một tỉ lệ tối ưu (trong luận văn là 0.7% mol) cho hoạt tính cao nhất. Nếu pha tạp với nồng độ quá cao, các ion La có thể trở thành tâm tái hợp, làm giảm hiệu suất.

5.1. Thử nghiệm khả năng xử lý xanh Methylene MB dưới đèn UV

Dưới ánh sáng đèn UV, cả vật liệu TiO2 tinh khiết và TiO2 pha tạp La đều cho thấy khả năng làm mất màu dung dịch xanh metylen (MB) hiệu quả. Tốc độ phân hủy MB của mẫu pha tạp La nhanh hơn so với mẫu không pha tạp. Độ chuyển hóa MB tăng dần theo thời gian chiếu sáng, cho thấy quá trình quang xúc tác diễn ra liên tục. Kết quả này chứng tỏ việc pha tạp La không làm suy giảm hoạt tính vốn có của TiO2 trong vùng UV mà còn có thể cải thiện nhẹ nhờ việc giảm tái hợp điện tử - lỗ trống.

5.2. So sánh hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên

Sự khác biệt rõ rệt nhất về hiệu quả được thể hiện trong các thí nghiệm sử dụng ánh sáng mặt trời. Vật liệu nano TiO2 pha tạp La cho thấy hiệu suất phân hủy MB vượt trội so với TiO2 tinh khiết. Sau cùng một khoảng thời gian chiếu sáng, độ chuyển hóa MB của mẫu pha tạp La cao hơn hẳn. Điều này là minh chứng mạnh mẽ cho việc pha tạp La đã giúp vật liệu tận dụng được một phần năng lượng từ vùng ánh sáng khả kiến trong quang phổ mặt trời, khắc phục được nhược điểm cốt lõi của TiO2 truyền thống và mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TÔNG QUAN LÝ THUYET 1. Tình hình nghiên cứu hat nano TiO, trén thé gidi va trong nước 1. Trên thế giới Trên thế giới, công nghệ nano đang là một cuộc cách mạng sôi động, các nước phat triển như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc.

đang dẫn đầu trong lĩnh vực. công nghệ mũi nhọn này. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu vẻ công nghệ nano: ~ Tác giả Lin Xiong cùng cộng sự [15] đã tổng hợp thành công nano TiO; ống. bằng phương pháp thủy nhiệt từ P25 (90% anatase và 10% rutile) và dung dịch NaOH 10M ở 130°C trong 72 giờ, diện tích bề mặt lớn 157,9m”/g, đường kính trung bình 33,4nm, có khả năng hắp thụ mạnh ở khoảng 133,33 mg/g đối với xanh Metylen.

- Huogen Yu, liaguo và cộng sự [17] tổng hợp tir bot TiO, và dung dich NaOH 10M bang phương pháp thủy nhiệt ở 150°C trong 48 giờ tạo ra ống nano. TÍO; có hoạt tính xúc tác cao, đường kính 7- 12nm va chiều dài khoảng vài trăm nm, diện tích bề mặt lớn 355,7 m°/g. ~ Yu cùng cộng sự [I8] đã ứng dụng phương pháp ống siêu âm để tổng hợp nano TÌO: có hoạt tính quang xúc tác cao với thành phần pha la anatase va rutile. ~ Sun và cộng sự [19] đã tổng hợp T¡O; nano từ tiền chấtT¡Cl, phản ứng với NH; trong hệ vi nhũ tương với dung môi cyclohexan và chất hoạt động bề mặt.

phẩm TiO; vô định hình chuyểi sang dang anatase 6 750°C va dang rutile ở nhiệt độ cao hơn. Nhiều sản phẩm nano TiO; được thương mại hóa như: Vật liệu nano TiOx(My, Nhật Bản), máy làm sạch không khí khỏi nắm mốc, vi khuẩn và khử mùi trong bệnh viện, văn phòng, nhà ở (Mỹ), khâu trang nano phòng chống lây nhiễm qua đường hô hấp (Nhật Bản), vải tự làm sạch, giấy khử mùi diệt vi khuân (Đức, Úc), gach lát đường phân hủy khí thái xe hơi (Hà Lan), pin mặt trời (Mỹ, Thuy Si). Trong nước Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, công nghệ nano bắt đầu được đầu tư và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Hướng ưu tiên nghiên cứu ở Việt Nam là chế tạo TiO, tir các khoáng sản, hóa chất rẻ tiền phục vụ cho xử lý ô nhiễm môi trường.

10 ~ Tác giả Nguyễn Văn Dũng và cộng sự [1] đã nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hóa Ti; từ khoáng sản ilmenite và thử hoạt tính quang xúc tác của TiO; trong phản ứng phân hủy axit organge 10. Kết quả cho thấy, có mối tương quan giữa độ tỉnh thể hóa cả pha anatase với hoạt tính quang xúc tác của TiO›. Hoạt tính quang hóa tốt nhất thu được với mẫu có độ tinh thể hóa cao với kích thước tình. thể trung bình của pha anatase khoảng 20nm, tương ứng với mẫu được nung ở nhiệt độ bắt đầu xảy ra sự chuyển pha cấu trúc anatase-rutile - Trin Thai Hòa cùng cộng sự [4] đã tổng hợp nano TiO; trong hệ vi nhữ tương.

Nano TiO; được điều chế bằng phương pháp thủy phân tetrachloride titanium ở pha nước trong pha dầu gồm chất hoạt động bề mặt cation CTAB, cyclo- hexan và octanol. Kích hước hạt thu được.xấp xi 20-25nm. Vật liệu TiO; nung ở. nhiệt độ dưới 450°C ở pha anatase còn ở trên 450°C bắt đầu xuất hiện pha rutile.

~ Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm [2] tổng hop TiO; kich thước nano bằng phương pháp đốt cháy gel từ Ti(NO,)¿ thu được hạt nano có kích thước 15-25nm. ~ Định Quang Khiếu cùng đồng sự [6] đã tổng hợp thành công nano TiO; ống bằng phương pháp thủy nhiệt với sự hộc trợ của sóng siêu âm. Kết quả khi thủy. nhiệtTïO; trong dung dịch NaOH ở 130°C trong 24 giờ dưới tác dụng của sóng siêu âm thu được các ống có chiều dài trung bình 130-189am và đường kính trung bình §nm, diện tích bề mặt 266,9m°/g.

Ở Việt Nam, vật liệu nano TiO; nano đã được các nhà khoa học quan tâm với nhiều thành công khích lệ, gần 100 công trình về vật liệu nano TiO; đã được công, bố trong và ngoài nước. Tuy nhiên, các kết quả này tập trung nghiên cứu cơ bản, việc nghiên cứu một cách có hệ thống vật liệu nano TïO; chưa được nhiều. Khai qt về công nghệ nano. Công nghệ nano “Thuật ngữ “công nghệ nano (nanotechnolosy)" xuất hiện từ những năm 70 của thế ki XX chỉ việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nm(nanomet, Inm=10°m) Công nghệ nano nghĩa là kĩ thuật sử dụng kích thước từ 0,Inm đến 100nm để tạo ra sự biển đổi hoàn toàn lí tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước điện tử (quantum size effect).

Trong công nghệ nano có phương thức đi từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức đi từ đưới lên (bottom-up) nghĩa là lắp ghép những. hạt cỡ phân tử hay nguyên tử lại dé thu được kích thước nano [5]. Ngày nay, phương thức đi từ dưới lên đang có được rất nhiều sự quan tâm. Vật liệu ở thang nano bao gồm các lá nano, sợ và ống nano, hạt nano được.

điều chế bằng nhiều cách khác nhau. Ở cắp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng. đặc biệt mà vật liệu truyền thống sẽ không có được, đó là do sự thu nhỏ kích thước. và việc tăng diện tích mặt ngoài của loại vật liệu này [21] Công nghệ nano sẽ tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp mới, có tiềm năng làm thay đổi toàn bộ các ngành công nghiệp khác.

Theo dự đoán của World Technology Evaluation Center thì sẽ không có ngành công nghệ nào không ứng, dụng nó. Cơ sở khoa học Công nghệ nano dựa trên 3 cơ sở chính: ~ Chuyển tiếp tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Khác với vật liêu khối, khi ở kích thước nano thì các tính chấtlượng tử được thể hiện càng rõ ràng. Vì vậy, khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần tính tới thăng giáng ngẫu nhiên. Ví dụ: một chấm lượng tử có thê được coi là một đại nguyên tử, nó có mức năng lượng, giống như nguyên tử [12] ~ Hiệu ứng bề mặt: cùng một khối lượng, nhưng khi ở kích thước nano chúng.

có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi ở dạng khối. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có lien quan tới khả năng tiếp. xúc bề mặt, như trong các ứng dụng của vật liệu nano làm chất diệt khuân. Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu kích thước nano.

~ Kích thước tới hạn: Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chat vật lí, hóa học khi ở dạng khối. Nếu kích thước vật liệu mà nhỏ hơn 12 kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Nếu ta giảm kích thước. vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng nhìn thấy được(400- 700nm), theo Mie thi hiện tượng “Cộng hưởng Plasmon bề mặt” xảy ra và ánh sáng.

quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra hiện tượng cộng. Hay như tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thước tới hạn thì không tuân theo định luật Ohm nữa, mà lúc này, điện trở của chúng sẽ tuân theo quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có những kích thước tới hạn ứng với các tính chất khác nhau của chúng. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu chúng ta cần xác định rõ tính chất nghiên cứu là gì [12] 1.

Giới thiệu về titan đioxit kích thước nano mét 1. Cấu trúc của vật liệu Tì0; TiO) là một loại vật liệu bán dẫn có thể kích hoạt hóa học bằng ánh sáng, vật liệu có tỷ trọng cao, có chiết suất cao vượt trội, tính trơ tốt và gần như không màu. Trong tự nhiên, TiO, tén tại ba dạng thù hình khác nhau là rutile(tetragonal), anatase(tetragonal), va brookite(orthorhombic). Ca ba dang tỉnh thể này đều có chung mét céng thire héa hoc TiO2, tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng là khác nhau.

Cấu trúc tinh thé rutile 13 Hình 1. Cấu trúc tình thể brookite Hing số mạng, độ dài liên kết Ti-O, và góc liên kết của ba pha tỉnh thể được trình bay trong bang 1. Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình cia TiO; ‘Anatase Rutile Brookite Hệ tỉnh thế Tetragonal Tetragonal ‘Octhorhombic R a=4,59) Hing sé mang (A) c=296 Nhóm không gian P4/mnm Sỗ đơn vị công thức. 2 ‘Thé tich 6 co sé (A) 31,22 34,06 32,17 413 379 3,99 195 194 187-201 198 197 812° T17 77,0°~105° 90° 926° 14 Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ.

các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO, nỗi với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxy. Mỗi ion Tỉ" được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion OP. Khối bát diện của Ti: Các mạng lưới tính thé cua rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự. biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra.

Pha rutile và anatase đều có cấu trúc tetragonal lần lượt chứa 6 và 12 nguyên. tử tương ứng trên một ô đơn vị. Trong cả hai cấu trúc, mỗi cation Tỉ được phối trí với sáu anion O*, và mỗi anion O” được phối trí với ba cation Tỉ". Trong mỗi trường hợp nói trên khối bát diện TiO, 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 90°.

biến dạng này thể hiện trong pha anatase rõ hơn trong pha rutile. Mặt khác, khoảng. cach Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Tỉ-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 [10] * Sự chuyển dạng thù hình của TiO, 'Hầu hết các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng quá trình thủy phân các muối vô cơ tạo ra tiền chất titan đioxit dạng vô định hình hoặc dang cau tric anatase hay rutile.

Khi nung axit metatitanie H;TïO; một sản phẩm trung gian chủ yếu của quá trình sản xuất TiO; nhận được khi thủy phân các dung dịch muối titan, trước hết tạo. Cả hai pha giả bền anatase và brookite chuyển thành pha rutile khi vật liệu được nung ở nhiệt độ trên 700°C (915°C cho pha anatase va 750°C cho pha brookite).