I. Giới thiệu và lý do chọn đề tài
Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Và Khảo Sát Tính Chất Xúc Tác Quang Của TiO2 Biến Tính Với Nano Ôxit Sắt tập trung vào việc nghiên cứu vật liệu TiO2 và cách biến tính nó bằng nano ôxit sắt (Fe2O3) để cải thiện tính chất xúc tác quang. TiO2 là vật liệu xúc tác quang phổ biến nhưng có nhược điểm là sự tái hợp nhanh của các cặp điện tử - lỗ trống, làm giảm hiệu suất. Việc biến tính TiO2 bằng Fe2O3 giúp tăng cường hiệu suất xúc tác quang thông qua việc điều khiển kích thước và nồng độ của Fe2O3 trên bề mặt TiO2. Phương pháp lắng đọng đơn lớp nguyên tử từ pha hơi (ALD) được sử dụng để tổng hợp vật liệu này, cho phép kiểm soát chính xác kích thước hạt Fe2O3.
1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là tổng hợp và khảo sát tính chất xúc tác quang của vật liệu TiO2/Fe2O3 trong quá trình phân hủy chất hữu cơ Rhodamine B (RhB). Nhiệm vụ bao gồm tổng hợp vật liệu bằng phương pháp ALD, khảo sát hình thái và cấu trúc của vật liệu, và đánh giá tính chất xúc tác quang của nó.
1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào vật liệu nano TiO2 P25 được biến tính bằng Fe2O3 thông qua phương pháp ALD. Phản ứng phân hủy RhB dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại được sử dụng để đánh giá hiệu suất xúc tác quang của vật liệu.
II. Phương pháp nghiên cứu và tổng hợp vật liệu
Phương pháp lắng đọng đơn lớp nguyên tử từ pha hơi (ALD) được sử dụng để tổng hợp vật liệu TiO2/Fe2O3. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước và nồng độ của Fe2O3 trên bề mặt TiO2, đặc biệt là với các hạt có kích thước dưới 1 nm. Các phương pháp phân tích như hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phân tích kích hoạt neutron được sử dụng để khảo sát hình thái và cấu trúc của vật liệu.
2.1. Quy trình tổng hợp bằng ALD
Quy trình ALD bao gồm việc lắng đọng các hạt Fe2O3 trên bề mặt TiO2 thông qua các chu trình lặp lại. Mỗi chu trình bao gồm các bước phun tiền chất và khí N2, đảm bảo sự lắng đọng đồng đều và kiểm soát kích thước hạt.
2.2. Phương pháp phân tích vật liệu
Các phương pháp phân tích như TEM được sử dụng để quan sát hình thái và kích thước hạt Fe2O3. Phân tích kích hoạt neutron giúp xác định thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu TiO2/Fe2O3 có tính chất xúc tác quang vượt trội so với TiO2 tinh khiết. Sự kết hợp giữa TiO2 và Fe2O3 giúp tăng cường sự dịch chuyển điện tử và giảm sự tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống, qua đó tăng hiệu suất xúc tác quang. Kích thước và nồng độ của Fe2O3 có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất xúc tác của vật liệu.
3.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt Fe2O3
Kích thước hạt Fe2O3 từ dưới 1 nm đến vài nanomet được khảo sát. Kết quả cho thấy các hạt có kích thước nhỏ hơn 1 nm có hiệu suất xúc tác quang cao hơn do tăng cường sự dịch chuyển điện tử và giảm sự tái hợp.
3.2. Ảnh hưởng của nồng độ Fe2O3
Nồng độ Fe2O3 trên bề mặt TiO2 cũng ảnh hưởng đến tính chất xúc tác quang. Nồng độ tối ưu được xác định là khoảng 0,7%, nơi hiệu suất xúc tác đạt cực đại. Tăng nồng độ quá mức này làm giảm hiệu suất do sự tái hợp tăng lên.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc biến tính TiO2 bằng Fe2O3 để cải thiện tính chất xúc tác quang. Các kết quả có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu TiO2/Fe2O3 trong xử lý môi trường, đặc biệt là trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ độc hại. Phương pháp ALD được đề xuất là một công cụ hiệu quả để tổng hợp các vật liệu xúc tác quang với độ chính xác cao.
4.1. Ứng dụng trong xử lý môi trường
Vật liệu TiO2/Fe2O3 có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải và phân hủy các chất hữu cơ độc hại như RhB. Hiệu suất xúc tác quang cao của vật liệu này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí xử lý.
4.2. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc tối ưu hóa các vật liệu xúc tác quang bằng cách điều khiển kích thước và nồng độ của các hạt biến tính. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc ứng dụng vật liệu TiO2/Fe2O3 trong các lĩnh vực khác như năng lượng mặt trời và chuyển hóa năng lượng.
