đặt vấn đề: “Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thƣớc nano từ chất đầu TiCl4 và amin”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ nano.1 Công nghệ nano và vật liệu nano Công nghệ nano nghiên cứu và ứng dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích cỡ nano (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hóa vật chất, năng lượng và thông tin. Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỉ XX là thời kì mà các nhà vật lí, hóa học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và sự chuyển hóa của các phần tử có kích cỡ nano.
Điều này do các phần tử nano thể hiện những tính chất điện, từ, cơ, quang hóa… khác biệt rất nhiều so với vật liệu khối thông thường. Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ nên hầu hết các nguyên tử có thể thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử lại nằm sâu trong thể tích của vật, bị các nguyên tử ở lớp ngoài che chắn. Do vậy, chúng ta có thể chờ đợi ở vật liệu nano thể hiện những tính chất mới lạ và ưu việt.
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thủy phân, điện kết tủa, oxi hóa, phản ứng vận chuyển, sol – gel… Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những “bình phản ứng nano”) vừa tạo không gian thích hợp, vừa có thể định hướng sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các phân tử với nhau. Ngày nay người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại, các mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng photpholipit… 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 1. Ứng dụng của công nghệ nano a. Lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông.
Công nghệ nano có ảnh hưởng rõ rệt đến lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con chip tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế. Lĩnh vực sinh học và y học. Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào mọi nơi trong cơ thể con người để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não… Công nghệ nano sinh học còn có thể sử dụng trong y học để tạo ra môt phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ thuật chuẩn đoán bệnh.
Hy vọng rằng với việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khỏe, tăng tuổi thọ con người. Lĩnh vực vật liệu. Vật liệu composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu nano composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hóa chất, thay đổi tương tác với ánh sáng nhìn thấy và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm nano composit được sử dụng làm lớp phủ cho các vật liệu khác trong điều kiện khắc nghiệt.
Ví dụ như các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bẩn, kháng khuẩn. Trên thị trường đã xuất hiện loại “thủy tinh tự làm sạch” do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi. Ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường. Những năm gần đây, thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng ngày càng coi trọng vấn đề xử lí ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do chất thải hữu cơ gây ra.
Các hạt nano của các chất bán dẫn được sử dụng 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 trong quá trình xử lí các chất gây ô nhiễm. Các oxit kim loại nano với diện tích bề mặt lớn thể hiện khả năng hấp phụ mạnh các khí có tính axit và các chất hữu cơ phân cực. Việc xử lí ô nhiễm môi trường không chỉ bao gồm việc làm sạch môi trường nước mà còn bao gồm việc tạo nên bầu không khí trong sạch, hạn chế tối đa sự lây lan của những vi khuẩn có hại nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống con người là những điều các nhà quản lí, nhà khoa học hướng tới. Công nghệ nano với những đặc tính ưu việt của mình được kì vọng rất lớn trong việc giải quyết vấn đề này.
Vấn đề năng lượng. Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế là nhiệm vụ cấp bách được đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện.
Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hóa phân húy nước. Các quá trình trên đạt hiệu quả cai khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano. Giới thiệu về vật liệu titan đioxit kích thƣớc nano.
Cấu trúc của TiO2 TiO2 [8, 22] là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy ( t nco = 1870oC). TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic) (Hình 1.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 Dạng anatase Dạng rutile Dạng brookite Hình 1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi ion Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra. Hình tám mặt trong rutile là không đồng đều, do đó có sự biến dạng orthorhombic (hệ trực thoi) yếu.
Các octahedra của anatase bị biến dạng mạnh hơn, vì vậy mức đối xứng của hệ là thấp hơn hệ trực thoi. Khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile. Trong cả ba dạng tinh thể thù hình của TiO2 các octahedra được nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh (Hình 1. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 Bảng 1.
Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase Các thông số Rutile Anatase Cấu trúc tinh thể Tứ diện Tứ diện a (Å) 4.78 Thông số mạng c (Å) 2.49 Khối lượng riêng (g/cm3) 4.54 Độ rộng vùng cấm (eV) 3.25 Ở nhiệt độ cao Nhiệt độ nóng chảy 1830 1850OC chuyển thành rutile 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 6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-. Hình khối bát diện của TiO2 1. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile TiO2 ở dạng anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh thể khác, điều này được giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lượng.
Như chúng ta đã biết, trong cấu trúc của chất rắn có 3 miền năng lượng là vùng 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Thị Thu Trang – K20 hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn. Tất cả các hiện tượng hóa học xảy ra đều là do sự dịch chuyển electron giữa các vùng với nhau. Anatase có năng lượng vùng cấm là 3.25 eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 382 nano. Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,05 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 407 nano.
Giản đồ năng lượng của anatase và rutile được chỉ ra trên hình 1. Vì vậy để kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn cần phải có các bức xạ có năng lượng vượt quá năng lượng vùng cấm tương ứng với bước sóng 413nm đối với rutil và 388nm đối với anata. Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hóa trị Hình 1. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile Vùng hóa trị của anatase và rutile như chỉ ra trên giản đồ là xấp xỉ bằng nhau và cũng rất dương, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxy hóa mạnh [10].
Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống (hole) mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các electron khác có thể nhảy vào vị trí này để bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Như vậy lỗ trống mang điện tích dương có thể tự do chuyển động trong vùng hóa trị.