I. Tổng quan về vật liệu nano TiO2
Vật liệu nano TiO2 là một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm hàng đầu trong khoa học vật liệu. TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: rutile, anatase, và brookite. Mỗi dạng có cấu trúc tinh thể khác nhau, dẫn đến các tính chất vật lý và hóa học riêng biệt. Anatase và rutile là hai dạng phổ biến nhất, trong đó anatase thường được ưa chuộng do hoạt tính quang xúc tác cao hơn. Brookite ít được nghiên cứu do khó tổng hợp và hoạt tính quang xúc tác thấp. Các dạng thù hình này có thể chuyển đổi lẫn nhau dưới tác động của nhiệt độ, với rutile là dạng bền nhất ở nhiệt độ cao.
1.1 Cấu trúc tinh thể và các dạng thù hình của TiO2
Cấu trúc tinh thể của TiO2 được xây dựng từ các khối bát diện TiO6, liên kết với nhau qua các cạnh hoặc đỉnh oxy. Rutile có cấu trúc tetragonal với độ xếp chặt cao, trong khi anatase có cấu trúc tương tự nhưng với sự biến dạng lớn hơn. Brookite có cấu trúc orthorhombic phức tạp hơn. Sự khác biệt trong cấu trúc dẫn đến sự khác biệt về tính chất điện tử và quang học của các dạng thù hình này. Anatase có năng lượng vùng cấm khoảng 3.2 eV, phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác, trong khi rutile có năng lượng vùng cấm thấp hơn (3.0 eV).
1.2 Tính chất quang học và điện tử của TiO2
Tính chất quang học và điện tử của TiO2 phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và kích thước hạt. Anatase có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại (UV) mạnh, trong khi rutile có phổ hấp thụ mở rộng hơn. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất chỉ hấp thụ ánh sáng UV, điều này hạn chế hiệu suất trong các ứng dụng quang điện hóa. Pha tạp các nguyên tố khác vào TiO2 là một phương pháp hiệu quả để mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến, đồng thời cải thiện tính chất điện tử và giảm sự tái kết hợp của electron và lỗ trống.
II. Ảnh hưởng của yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hóa
Yếu tố pha tạp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hoạt tính quang điện hóa của vật liệu nano TiO2. Các nguyên tố pha tạp như Sn và C có thể thay đổi cấu trúc điện tử của TiO2, giảm năng lượng vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy, pha tạp Sn giúp tăng cường tính dẫn điện và ổn định cấu trúc, trong khi pha tạp C có thể tạo ra các trạng thái năng lượng mới trong vùng cấm, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn.
2.1 Pha tạp Sn và ảnh hưởng lên hoạt tính quang điện hóa
Pha tạp Sn vào TiO2 giúp cải thiện tính chất điện tử và quang học của vật liệu. Nghiên cứu chỉ ra rằng, Sn có thể thay thế các nguyên tử Ti trong cấu trúc tinh thể, tạo ra các trạng thái năng lượng mới trong vùng cấm. Điều này giúp giảm năng lượng vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, Sn còn giúp tăng cường tính dẫn điện và ổn định cấu trúc của TiO2, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện hóa.
2.2 Đồng pha tạp C và Sn trong TiO2
Đồng pha tạp C và Sn vào TiO2 là một chiến lược hiệu quả để tối ưu hóa hoạt tính quang điện hóa. C có thể tạo ra các trạng thái năng lượng mới trong vùng cấm, giúp hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, trong khi Sn cải thiện tính dẫn điện và ổn định cấu trúc. Sự kết hợp này giúp tăng cường hiệu suất quang điện hóa của TiO2, đặc biệt trong các ứng dụng tách nước quang điện hóa (PEC).
III. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2 trong công nghệ quang điện hóa
Vật liệu nano TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ quang điện hóa, đặc biệt là trong quá trình tách nước quang điện hóa (PEC). TiO2 là một chất bán dẫn ổn định, có khả năng hấp thụ ánh sáng UV và tạo ra các electron và lỗ trống để thực hiện các phản ứng oxy hóa khử. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất chỉ hấp thụ ánh sáng UV, điều này hạn chế hiệu suất của nó. Pha tạp các nguyên tố khác vào TiO2 giúp mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện hóa.
3.1 Nguyên lý của tế bào quang điện hóa
Tế bào quang điện hóa (PEC) hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng để tạo ra các electron và lỗ trống, thực hiện các phản ứng oxy hóa khử. TiO2 là một chất bán dẫn lý tưởng cho ứng dụng này do tính ổn định hóa học và khả năng hấp thụ ánh sáng UV. Tuy nhiên, TiO2 nguyên chất chỉ hấp thụ ánh sáng UV, điều này hạn chế hiệu suất của tế bào. Pha tạp các nguyên tố khác vào TiO2 giúp mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện hóa.
3.2 Hiệu suất của hệ tách nước quang điện hóa
Hiệu suất của hệ tách nước quang điện hóa phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của vật liệu. TiO2 pha tạp các nguyên tố như Sn và C có thể cải thiện hiệu suất quang điện hóa bằng cách mở rộng phổ hấp thụ và giảm sự tái kết hợp của electron và lỗ trống. Nghiên cứu cho thấy, TiO2 pha tạp Sn và C có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với TiO2 nguyên chất, đặc biệt trong các ứng dụng tách nước quang điện hóa.
