I. Nghiên cứu cấu trúc TiO2
Nghiên cứu cấu trúc TiO2 tập trung vào việc phân tích các dạng thù hình của TiO2, bao gồm anatase, rutile và brookite. Các dạng này khác nhau về cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý. Vật liệu nano TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý môi trường, chế tạo pin mặt trời và vật liệu tự làm sạch. Cấu trúc tinh thể của TiO2 ảnh hưởng lớn đến tính chất quang xúc tác của vật liệu. Cấu trúc nano TiO2 được xác định thông qua các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
1.1. Các dạng thù hình của TiO2
TiO2 tồn tại ở ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite. Rutile là dạng bền nhất, trong khi anatase và brookite là các dạng giả bền. Anatase có cấu trúc tứ diện và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng quang xúc tác do tính chất điện tử phù hợp. Brookite ít được nghiên cứu do khó tổng hợp ở dạng tinh khiết. Các dạng thù hình này khác nhau về khoảng cách Ti-Ti và Ti-O, ảnh hưởng đến tính chất quang điện tử của vật liệu.
1.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc
Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nano TiO2. XRD giúp xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu, trong khi TEM cung cấp thông tin về hình thái và kích thước hạt. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để phân tích thành phần hóa học của vật liệu.
II. Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2
Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 được nghiên cứu thông qua khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng. TiO2 là chất bán dẫn có vùng cấm rộng, khi được chiếu sáng với năng lượng phù hợp, các electron được kích thích lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các lỗ trống này có khả năng oxi hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Quang xúc tác TiO2 được ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất hydro.
2.1. Cơ chế quang xúc tác
Cơ chế quang xúc tác của TiO2 dựa trên sự hình thành cặp electron-lỗ trống khi vật liệu được chiếu sáng. Các lỗ trống oxi hóa nước hoặc ion hydroxyl tạo ra gốc tự do HO●, có khả năng oxi hóa mạnh. Các electron khử oxy tạo ra anion superoxit O2‾. Các gốc tự do này phân hủy các hợp chất hữu cơ thành sản phẩm vô cơ. Hoạt tính quang của vật liệu nano phụ thuộc vào khả năng tạo và duy trì cặp electron-lỗ trống.
2.2. Ứng dụng trong xử lý ô nhiễm
Vật liệu nano TiO2 được sử dụng để xử lý các chất hữu cơ độc hại trong nước và không khí. TiO2 trong quang xúc tác có khả năng phân hủy các hợp chất như Rhodamine B thành CO2 và H2O. Ag2O trong quang xúc tác và CuO trong quang xúc tác được nghiên cứu để tăng cường hiệu suất quang xúc tác của TiO2. Các ứng dụng này giúp giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường một cách hiệu quả.
III. Biến tính TiO2 bằng Ag2O và CuO
Biến tính TiO2 bằng Ag2O và biến tính TiO2 bằng CuO là các phương pháp được sử dụng để tăng cường hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2. Ag2O và CuO là các chất bán dẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, giúp mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng của TiO2. TiO2 và Ag2O cũng như TiO2 và CuO tạo thành các cấu trúc composite, giúp giảm sự tái hợp của cặp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác.
3.1. Tổng hợp vật liệu biến tính
Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2 biến tính bao gồm kết tủa, thủy nhiệt và sol-gel. Biến tính TiO2 bằng Ag2O được thực hiện bằng cách kết hợp TiO2 với dung dịch AgNO3, trong khi biến tính TiO2 bằng CuO sử dụng dung dịch Cu(NO3)2. Các vật liệu biến tính được đặc trưng bằng XRD, TEM và EDX để xác định cấu trúc và thành phần hóa học.
3.2. Hiệu suất quang xúc tác
Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu biến tính được đánh giá thông qua khả năng phân hủy Rhodamine B. Tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác đạt được khi hàm lượng Ag2O và CuO được điều chỉnh phù hợp. Các kết quả cho thấy vật liệu biến tính có hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với TiO2 tinh khiết, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng khả kiến.
