I. Tổng quan về vật liệu nano TiO2
Vật liệu TiO2 là một oxit kim loại bán dẫn với ba pha tinh thể chính: rutile, anatase và brookite. Hai pha thường gặp và có nhiều ứng dụng thực tế là rutile và anatase. Cấu trúc tinh thể của TiO2 được hình thành từ các đa diện phối trí TiO6, sắp xếp khác nhau trong không gian tùy theo pha. Tính chất hóa học của TiO2 bao gồm độ bền hóa học cao, không phản ứng với nước, axit loãng, kiềm và các axit hữu cơ. Tính chất điện của TiO2 được đặc trưng bởi vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB), với độ dẫn điện loại n do sự hiện diện của khuyết tật oxy. Tính chất quang xúc tác của TiO2 liên quan đến khả năng hấp thụ photon và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, dẫn đến các phản ứng oxy hóa - khử trên bề mặt vật liệu.
1.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2
Cấu trúc tinh thể của TiO2 tồn tại ở ba pha chính: rutile, anatase và brookite. Rutile là pha bền, trong khi anatase và brookite là các pha giả bền. Các pha này có cấu trúc tứ giác (rutile và anatase) và trực thoi (brookite). Sự sắp xếp khác nhau của các đa diện phối trí TiO6 trong không gian dẫn đến các tính chất vật lý và hóa học khác nhau giữa các pha. Cấu trúc không gian của các đa diện phối trí trong ba pha đều giống nhau, với mỗi cation Ti4+ phối vị với 6 anion O2- và mỗi anion O2- phối vị với ba cation Ti4+.
1.2. Tính chất hóa học của TiO2
Tính chất hóa học của TiO2 bao gồm độ bền hóa học cao, không phản ứng với nước, axit loãng, kiềm và các axit hữu cơ. TiO2 tan chậm trong các dung dịch kiềm nóng chảy tạo ra các muối titanat. Khi đun nóng lâu với axit H2SO4 đặc, TiO2 chuyển vào trạng thái hòa tan. TiO2 cũng tác dụng được với axit HF hoặc kali bisunfat nóng chảy. Ở nhiệt độ cao, TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và oxit kim loại để tạo thành các muối titanat.
1.3. Tính chất điện của TiO2
Tính chất điện của TiO2 được đặc trưng bởi vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB). Vùng hóa trị bao gồm các trạng thái 2p của oxy, trong khi vùng dẫn được hình thành từ các trạng thái 3d của Ti. TiO2 là một chất bán dẫn vùng cấm rộng, với điện trở suất cao ở nhiệt độ thấp. Sự hiện diện của khuyết tật oxy và điền kẽ Ti tạo ra các mức donor electron nông, ảnh hưởng đến độ dẫn điện của tinh thể TiO2. Thông thường, TiO2 có độ dẫn điện loại n và độ dẫn điện tăng lên với mức độ khuyết oxy trong mạng tinh thể.
II. Phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2
Phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 được thực hiện theo hai cách tiếp cận: từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống bao gồm các quá trình như ăn mòn, thiêu kết, khắc nano bằng cách sử dụng chùm electron hoặc chùm photon. Phương pháp từ dưới lên tạo ra cấu trúc nano từ các nguyên tử hoặc ion riêng biệt bằng việc điều khiển quá trình nuôi, tạo hình và kết tinh. Các phương pháp này đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu của nghiên cứu.
2.1. Phương pháp từ trên xuống
Phương pháp từ trên xuống tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano từ vật liệu ban đầu có kích thước vĩ mô. Các quá trình như ăn mòn, thiêu kết, khắc nano bằng cách sử dụng chùm electron hoặc chùm photon được sử dụng để tạo ra cấu trúc nano. Ưu điểm của phương pháp này là có thể điều chỉnh được chính xác vị trí và hướng của vật liệu. Tuy nhiên, nhược điểm là khó tạo ra được cấu trúc nhỏ hơn 10 nm do sự nhoè của các chùm tia khắc.
2.2. Phương pháp từ dưới lên
Phương pháp từ dưới lên tạo ra cấu trúc nano từ các nguyên tử hoặc ion riêng biệt. Quá trình này bao gồm việc điều khiển quá trình nuôi, tạo hình và kết tinh để tạo ra cấu trúc nano. Phương pháp này có ưu điểm là có thể tạo ra cấu trúc nhỏ hơn 10 nm và kiểm soát được hình dạng và kích thước của vật liệu. Tuy nhiên, nhược điểm là khó điều chỉnh chính xác vị trí và hướng của vật liệu.
III. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2
Vật liệu nano TiO2 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm xúc tác quang, điện hóa, cảm biến và xử lý môi trường. Tính chất quang xúc tác của TiO2 được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước và không khí. Tính chất điện của TiO2 được ứng dụng trong các thiết bị điện tử và pin mặt trời. Cấu trúc hình cầu rỗng của TiO2 được biến tính bề mặt với các kim loại quý như vàng và bạc, giúp cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác.
3.1. Ứng dụng trong xúc tác quang
Tính chất quang xúc tác của TiO2 được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước và không khí. Khi TiO2 được chiếu sáng, các photon kích thích tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, dẫn đến các phản ứng oxy hóa - khử trên bề mặt vật liệu. Các gốc OH* tự do được tạo ra từ phản ứng này có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các chất hữu cơ thành các sản phẩm vô hại.
3.2. Ứng dụng trong điện hóa
Tính chất điện của TiO2 được ứng dụng trong các thiết bị điện tử và pin mặt trời. TiO2 là một chất bán dẫn vùng cấm rộng, với độ dẫn điện loại n do sự hiện diện của khuyết tật oxy. Các mức donor electron nông ảnh hưởng đến độ dẫn điện của tinh thể TiO2, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện hóa.
3.3. Ứng dụng trong cảm biến
Cấu trúc hình cầu rỗng của TiO2 được biến tính bề mặt với các kim loại quý như vàng và bạc, giúp cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác. Các vật liệu này được sử dụng trong các cảm biến quang học và điện hóa, với độ nhạy cao và khả năng phát hiện các chất hữu cơ độc hại trong môi trường.
