I. Giới thiệu chung về nghiên cứu
Luận án tập trung vào nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất quang xúc tác, tính chất ưa nước của hai hệ vật liệu TiO2-SiO2 và TiO2-PEG bằng phương pháp sol-gel. TiO2 (Titan đioxit) cấu trúc nano được biết đến với khả năng phân hủy chất hữu cơ độc hại, diệt khuẩn và chống nấm mốc, đặc biệt là dưới tác động của ánh sáng UV. Hai tính chất chính được nghiên cứu là quang xúc tác và tính ưa nước (photo-induced hydrophilic - PIH), liên quan đến khả năng tự làm sạch của vật liệu. Luận án nhằm làm rõ cơ chế quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước của TiO2 cấu trúc nano, đồng thời nghiên cứu sự thay đổi năng lượng bề mặt dưới tác động của ánh sáng UV.
1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận án là chế tạo và nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang xúc tác của TiO2 và các biến thể cấu trúc nano. Đồng thời, nghiên cứu có hệ thống và định lượng tính chất ưa nước và năng lượng bề mặt của các hệ vật liệu dưới tác động của ánh sáng UV. Hai hệ vật liệu chính được nghiên cứu là TiO2-SiO2 (pha tạp SiO2) và TiO2-PEG (bổ sung PEG để thay đổi độ xốp).
1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu bao gồm hai hệ vật liệu: TiO2-SiO2 (pha tạp SiO2 với tỷ lệ khác nhau) và TiO2-PEG (bổ sung PEG để điều chỉnh độ xốp). Các màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp sol-gel trên các đế thủy tinh và silic, với độ dày và cấu hình được kiểm soát chặt chẽ.
II. Phương pháp nghiên cứu và chế tạo
Luận án sử dụng phương pháp sol-gel để chế tạo màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG. Quá trình sol-gel bao gồm các giai đoạn thủy phân, ngưng tụ và thiêu kết để tạo ra các màng mỏng có cấu trúc nano. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm: đo phổ hấp thụ UV-VIS để xác định độ rộng vùng cấm, đo phân hủy chất màu hữu cơ (Methylene Blue) để đánh giá tính chất quang xúc tác, và đo góc tiếp xúc để đánh giá tính chất ưa nước. Các kỹ thuật như SEM, XRD cũng được sử dụng để phân tích cấu trúc và hình thái bề mặt.
2.1. Quy trình chế tạo màng
Quy trình chế tạo màng bao gồm các bước: chuẩn bị sol TiO2, pha tạp SiO2 hoặc bổ sung PEG, phủ màng bằng phương pháp quay phủ, và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Quá trình này tạo ra các màng mỏng có độ dày và độ xốp khác nhau, phù hợp cho nghiên cứu tính chất quang xúc tác và tính chất ưa nước.
2.2. Phương pháp đánh giá tính chất
Các phương pháp đánh giá bao gồm: đo phổ hấp thụ UV-VIS để xác định độ rộng vùng cấm, đo phân hủy Methylene Blue để đánh giá tính chất quang xúc tác, và đo góc tiếp xúc để đánh giá tính chất ưa nước. Các kỹ thuật SEM và XRD được sử dụng để phân tích cấu trúc và hình thái bề mặt.
III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG có tính chất quang xúc tác tốt, thể hiện qua khả năng phân hủy Methylene Blue và diệt khuẩn E. coli. Tính chất ưa nước của các màng cũng được cải thiện đáng kể dưới tác động của ánh sáng UV, với góc tiếp xúc giảm và năng lượng bề mặt tăng. Các kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của các màng trong các lĩnh vực như làm sạch môi trường, diệt khuẩn và tự làm sạch bề mặt.
3.1. Tính chất quang xúc tác
Các màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG thể hiện tính chất quang xúc tác mạnh, với khả năng phân hủy Methylene Blue và diệt khuẩn E. coli. Kết quả cho thấy tỷ lệ SiO2 và PEG ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quang xúc tác, với các màng có tỷ lệ SiO2 và PEG tối ưu cho hiệu suất cao nhất.
3.2. Tính chất ưa nước
Tính chất ưa nước của các màng được cải thiện đáng kể dưới tác động của ánh sáng UV, với góc tiếp xúc giảm và năng lượng bề mặt tăng. Các kết quả này cho thấy sự liên quan chặt chẽ giữa tính chất quang xúc tác và tính chất ưa nước, đồng thời làm rõ cơ chế quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước của TiO2 cấu trúc nano.
IV. Ứng dụng và kết luận
Luận án đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG trong các lĩnh vực như làm sạch môi trường, diệt khuẩn và tự làm sạch bề mặt. Các kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm rõ cơ chế quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước của TiO2 cấu trúc nano, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc cải thiện tính chất quang xúc tác và tính chất ưa nước của vật liệu.
4.1. Ứng dụng thực tế
Các màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như làm sạch môi trường, diệt khuẩn và tự làm sạch bề mặt. Các thử nghiệm thực tế cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy chất hữu cơ độc hại và diệt khuẩn, đặc biệt là trong các cơ sở y tế và công trình xây dựng.
4.2. Kết luận
Luận án đã thành công trong việc chế tạo và nghiên cứu tính chất quang xúc tác, tính chất ưa nước của màng TiO2-SiO2 và TiO2-PEG. Các kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước của TiO2 cấu trúc nano, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc cải thiện tính chất quang xúc tác và tính chất ưa nước của vật liệu.
