Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu bột TiO2 kích thước nanomet biến tính bằng N và Fe

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu các quá trình điều chế và tính chất của bột tio2 kích thước nanomet được biến tính, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Lê Diên Thân
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Sỹ Lương
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Quá Trình Điều Chế Và Tính Chất Của Bột TiO2 Kích Thước Nanomet Được Biến Tính Bằng N Và Fe
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIO2 KÍCH THƢỚC NANOMET
• 1.1. Cấu trúc, tính chất và một số ứng dụng quan trọng của TiO 2
• 1.2. Cấu trúc của TiO2
• 1.3. Cấu trúc tinh thể của TiO2
• 1.4. Cấu trúc bề mặt của TiO2
• 1.5. Cấu trúc điện tử của TiO2
• 1.6. Quá trình quang xúc tác trên TiO2
• 1.7. Quá trình kích hoạt quang xúc tác TiO2
• 1.8. Quá trình oxyhóa-khử quang xúc tác
• 1.9. Một số ứng dụng quan trọng của TiO2 kích thước nanomet
• 1.10. Hạn chế của TiO2 kích thước nanomet tinh khiết
• 1.11. Các phƣơng pháp điều chế và biến tính bột TiO2 kích thƣớc nanomet
• 1.12. Các phương pháp điều chế bột TiO2 kích thước nanomet
• 1.13. Phương pháp kết tủa và đồng kết tủa
• 1.14. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.15. Một số phương pháp điều chế khác
• 1.16. Các phương pháp biến tính TiO2 kích thước nanomet
• 1.17. Biến tính bề mặt
• 1.18. Biến tính cấu trúc TiO2 kích thước nanomet
• 1.19. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang của TiO2 biến tính
• 1.20. Ảnh hưởng của thành phần pha, kích thước tinh thể và diện tích bề mặt
• 1.21. Ảnh hưởng của nồng độ chất biến tính
• 1.22. Ảnh hưởng bởi trạng thái tồn tại của chất biến tính trong TiO 2
• 1.23. Ảnh hưởng của năng lượng vùng cấm Eg
• 1.24. Cơ chế hoạt hóa TiO2 biến tính bởi ánh sáng
• 1.25. Một số kết luận chủ yếu rút ra từ phần tổng quan
• 1.26. Nội dung nghiên cứu của luận án
• 2. CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Lựa chọn hóa chất và dụng cụ, thiết bị chủ yếu
• 2.2. Lựa chọn hóa chất
• 2.3. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.4. Phƣơng pháp điều chế và quy trình thực nghiệm
• 2.5. Phương pháp điều chế
• 2.6. Quy trình thực nghiệm điều chế bột TiO2 kích thước nanomet
• 2.7. Quy trình điều chế bột TiO2 tinh khiết theo phương pháp kết tủa và bột Fe-TiO2 theo phương pháp tẩm
• 2.8. Quy trình điều chế bột TiO2 biến tính nitơ theo phương pháp tẩm (t.N-TiO2) và phương pháp kết tủa (k.
• 2.9. Quy trình điều chế bột TiO2 biến tính hỗn hợp N và Fe theo phương pháp đồng kết tủa và phương pháp tẩm
• 2.10. Quy trình thực nghiệm đánh giá hiệu suất quang xúc tác
• 2.11. Các phương pháp đánh giá hiệu suất quang xúc tác
• 2.12. Bộ đèn compact dân dụng thử quang xúc tác
• 2.13. Quy trình thực nghiệm xác định hiệu suất quang xúc tác
• 2.14. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
• 2.15. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.16. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.17. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET
• 2.18. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
• 2.19. Phổ hồng ngoại biến đổi Furie FT - IR
• 2.20. Phương pháp phân tích nhiệt DTA-TGA
• 2.21. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.22. Phương pháp phổ quang electron tia X (XPS)
• 3. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu điều chế bột N-TiO2 kích thƣớc nanomet
• 3.2. Điều chế bột TiO2 kích thước nanomet làm mẫu đối chứng
• 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4
• 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.5. Các đặc trưng XRD, EDS, UV-Vis, TEM của bột TiO2
• 3.6. Điều chế bột t.N-TiO2 kích thước nanomet theo phương pháp tẩm huyền phù TiO2.nH2O trong dung dịch NH3
• 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ NH3
• 3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ Lỏng/Rắn (L/R)
• 3.9. Ảnh hưởng của thời gian tẩm TiO2.nH2O trong dung dịch NH3
• 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.11. Một số đặc trưng chủ yếu của bột t.N-TiO2 kích thước nanomet
• 3.12. Điều chế bột k.N-TiO2 kích thước nanomet theo phương pháp thuỷ phân TiCl4 trong dung dịch nước có mặt NH3
• 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4
• 3.14. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol NH3/TiCl4
• 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân
• 3.16. Ảnh hưởng của thời gian nung và tốc độ nâng nhiệt
• 3.17. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.18. Phổ EDS, FT-IR, XPS và dạng tồn tại của nitơ trong sản phẩm
• 3.19. Hoạt tính quang xúc tác của bột k
• 3.20. Vai trò của NH3 đối với quá trình điều chế
• 3.21. Điều chế TiO2 kích thƣớc nanomet biến tính N và Fe
• 3.22. Điều chế bột Fe-TiO2 kích thước nanomet theo phương pháp tẩm
• 3.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý sau khi tẩm
• 3.24. Ảnh hưởng của nồng độ Fe(III) trong dung dịch
• 3.25. Điều chế bột TiO2 kích thước nanomet biến tính hỗn hợp N và Fe
• 3.26. Ảnh hưởng của các điều kiện điều chế
• 3.27. So sánh hiệu suất quang xúc tác và khảo sát độ bền của sản phẩm
• 3.28. So sánh hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm
• 3.29. Khảo sát độ bền của sản phẩm
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Bảng số liệu của một số đồ thị trong luận án
• Giản đồ phân tích nhiệt với tốc độ nâng nhiệt khác nhau
• Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• Phương trình hồi qui để xác định λ và Eg trên phổ UV-Vis
• Tính bề mặt riêng theo phương pháp BET
• Tính toán mật độ trạng thái của N-TiO2
• Năng lượng liên kết và dạng tồn tại của nitơ pha tạpTiO2
• MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan về bột TiO2 kích thước nanomet và ứng dụng

Bột TiO2 kích thước nanomet đã trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hiện đại. Với tính chất quang xúc tác vượt trội, TiO2 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo, xử lý nước thải và sản xuất vật liệu xây dựng. Nghiên cứu về bột TiO2 biến tính bằng N và Fe không chỉ mở rộng khả năng ứng dụng mà còn nâng cao hiệu suất quang xúc tác của vật liệu này.

1.1. Cấu trúc và tính chất của TiO2 nanomaterials

TiO2 tồn tại dưới ba dạng thù hình chính: rutile, anatase và brookite. Trong đó, anatase và rutile là hai dạng phổ biến nhất được nghiên cứu. Cấu trúc tinh thể của TiO2 ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học và hóa học của nó. Các nghiên cứu cho thấy, bột TiO2 kích thước nanomet có diện tích bề mặt lớn hơn, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác.

1.2. Ứng dụng của TiO2 trong công nghiệp và môi trường

TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp như chất xúc tác trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm, sản xuất năng lượng mặt trời và trong các sản phẩm tiêu dùng như mỹ phẩm và sơn. Việc biến tính TiO2 bằng N và Fe không chỉ cải thiện tính chất quang xúc tác mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng thân thiện với môi trường.

II. Thách thức trong nghiên cứu bột TiO2 biến tính

Mặc dù bột TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp biến tính TiO2 vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của vật liệu, khả năng tái hợp điện tích và hiệu suất quang xúc tác cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả sử dụng của TiO2 trong thực tiễn.

2.1. Hạn chế của TiO2 kích thước nanomet tinh khiết

TiO2 tinh khiết có vùng cấm rộng, chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực yêu cầu ánh sáng nhìn thấy. Hơn nữa, hiện tượng tái hợp điện tích nhanh chóng làm giảm hiệu suất quang xúc tác của TiO2.

2.2. Vấn đề trong quá trình biến tính TiO2

Quá trình biến tính TiO2 bằng các nguyên tố như N và Fe có thể dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc điện tử và tính chất quang học. Tuy nhiên, việc kiểm soát nồng độ và trạng thái của các chất biến tính là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp điều chế bột TiO2 biến tính hiệu quả

Để nâng cao hiệu suất quang xúc tác của bột TiO2, nhiều phương pháp điều chế đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện tính chất của TiO2 mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

3.1. Phương pháp tẩm và đồng kết tủa

Phương pháp tẩm và đồng kết tủa là hai trong số những phương pháp phổ biến nhất để biến tính TiO2. Phương pháp tẩm cho phép đưa các nguyên tố như N và Fe vào cấu trúc của TiO2, trong khi phương pháp đồng kết tủa giúp tạo ra các hạt TiO2 có kích thước đồng đều và ổn định hơn.

3.2. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật tiên tiến trong việc điều chế bột TiO2 kích thước nanomet. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các sản phẩm có tính chất quang xúc tác cao hơn. Nghiên cứu cho thấy, điều kiện nhiệt độ và áp suất trong quá trình thủy nhiệt có ảnh hưởng lớn đến kích thước và tính chất của TiO2.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của TiO2 biến tính

Nghiên cứu về bột TiO2 biến tính bằng N và Fe đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các sản phẩm TiO2 biến tính không chỉ có hiệu suất quang xúc tác cao hơn mà còn có khả năng hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

4.1. Hiệu suất quang xúc tác của TiO2 biến tính

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bột TiO2 biến tính bằng N và Fe có hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với TiO2 tinh khiết. Điều này cho thấy, việc biến tính TiO2 là một giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý ô nhiễm và sản xuất năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

TiO2 biến tính đã được ứng dụng thành công trong xử lý nước thải, giúp phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng nhìn thấy. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu TiO2

Nghiên cứu về bột TiO2 kích thước nanomet biến tính bằng N và Fe đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu quang xúc tác. Với những kết quả khả quan, TiO2 biến tính hứa hẹn sẽ trở thành một trong những vật liệu chủ chốt trong các ứng dụng công nghệ xanh trong tương lai.

5.1. Tương lai của TiO2 trong công nghệ quang xúc tác

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, TiO2 biến tính sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp điều chế và cải thiện tính chất của TiO2.

5.2. Hướng nghiên cứu mới trong biến tính TiO2

Hướng nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc kết hợp TiO2 với các vật liệu khác để tạo ra các hệ thống quang xúc tác đa chức năng. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của TiO2 trong nhiều lĩnh vực khác nhau.