Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu điều chế bột TiO2 kích thước nano pha tạp nitơ và natri

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu điều chế bột tio2 kích thước nano pha tạp nitơ và natri, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Vũ Thị Phương Thúy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Sỹ Lương
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu điều chế bột TiO2 kích thước nano pha tạp nitơ và natri
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ TITAN DIOXIT KÍCH THƯỚC NANÔ MÉT
• 1.2. Cấu trúc và tính chất vật lý của TiO2
• 1.3. Sự chuyển dạng thù hình của titan đioxit
• 1.4. Tính chất hóa học của titan đioxit
• 1.5. Các ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thước nm
• 1.6. GIỚI THIỆU VỀ TiO2 KÍCH THƯỚC NANO MÉT PHA TẠP
• 1.7. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO TiO2 PHA TẠP
• 1.8. CÁC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ TiO2 PHA TẠP BẰNG NaOH
• 1.9. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ TiO2 PHA TẠP BẰNG CÁC HỢP CHẤT N(-III)
• 1.10. MỘT SỐ KẾT LUẬN RÚT RA TỪ CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.3. Các nội dung nghiên cứu
• 2.4. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.5. Dụng cụ và thiết bị
• 2.6. Thực nghiệm điều chế bột TiO2 kích thước nm
• 2.7. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.8. Phương pháp đo quang xác định hiệu suất quang xúc tác của sản phẩm
• 2.9. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.10. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.11. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
• 2.12. Phương pháp phân tích nhiệt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể – thành phần pha – hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm bột TiO2 kích thước nm
• 3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ % mol N/TiO2
• 3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ NaOH/TiO2
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung
• 3.6. Quy trình điều chế N-Na.TiO2 dạng bột kích thước nm
• 3.7. Quy trình điều chế
• 3.8. Cách tiến hành
• 3.9. Các đặc trưng cấu trúc và tính chất của sản phẩm
• 3.10. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.11. Kết quả đo EDS
• 3.12. Kết quả đo TEM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều chế bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri

Nghiên cứu điều chế bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật liệu mới. TiO2, với tính chất quang xúc tác vượt trội, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng. Việc pha tạp nitơ và natri không chỉ cải thiện tính chất quang xúc tác mà còn mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng quang phổ nhìn thấy. Điều này giúp tăng cường hiệu suất của TiO2 trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Giới thiệu về TiO2 nano và tính chất của nó

TiO2 nano là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành hóa học và vật liệu. Với kích thước hạt nhỏ, TiO2 nano có diện tích bề mặt lớn, dẫn đến khả năng phản ứng cao hơn so với TiO2 thông thường. Các dạng thù hình của TiO2 như rutile và anatase có tính chất quang học khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng xúc tác quang. Việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của TiO2 nano là rất cần thiết để tối ưu hóa ứng dụng của nó.

1.2. Ứng dụng của TiO2 nano trong công nghiệp

TiO2 nano được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, sản xuất sơn tự làm sạch, và trong các thiết bị quang điện. Khả năng quang xúc tác của TiO2 giúp phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các giải pháp bền vững trong công nghiệp.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu TiO2 nano pha tạp

Mặc dù TiO2 nano có nhiều ưu điểm, nhưng việc điều chế và ứng dụng của nó vẫn gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy còn hạn chế. Điều này làm giảm hiệu suất quang xúc tác của TiO2 trong các ứng dụng thực tiễn. Hơn nữa, việc pha tạp nitơ và natri cũng cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả tốt nhất.

2.1. Hạn chế trong khả năng hấp thụ ánh sáng

TiO2 nguyên chất chỉ có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong các điều kiện ánh sáng tự nhiên. Việc pha tạp nitơ và natri có thể giúp cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, nhưng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng để đạt được tỉ lệ pha tạp tối ưu.

2.2. Thách thức trong quy trình điều chế

Quy trình điều chế TiO2 nano pha tạp nitơ và natri thường phức tạp và yêu cầu điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian nung và tỉ lệ các thành phần đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc tối ưu hóa quy trình điều chế là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất quang xúc tác cao.

III. Phương pháp điều chế bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chế bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri. Các phương pháp này bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp thủy phân. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp hóa học trong điều chế TiO2

Phương pháp hóa học thường được sử dụng để điều chế TiO2 nano với khả năng kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt. Các phản ứng hóa học có thể được thực hiện trong môi trường nước hoặc dung môi hữu cơ, giúp tạo ra các sản phẩm có tính chất quang xúc tác cao.

3.2. Phương pháp thủy phân muối titan

Phương pháp thủy phân muối titan là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để điều chế TiO2 nano. Sử dụng NaOH làm nguồn cung cấp ion Na+ giúp cải thiện tính chất quang xúc tác của sản phẩm. Quy trình này có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất.

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

Kết quả nghiên cứu cho thấy bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri có tính chất quang xúc tác vượt trội so với TiO2 nguyên chất. Các thử nghiệm cho thấy khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời được cải thiện đáng kể. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong xử lý môi trường và sản xuất năng lượng sạch.

4.1. Hiệu suất quang xúc tác của TiO2 nano

Các mẫu TiO2 nano pha tạp nitơ và natri cho thấy hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với mẫu TiO2 nguyên chất. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời được cải thiện rõ rệt, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.

4.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

TiO2 nano pha tạp nitơ và natri có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vi khuẩn. Việc sử dụng TiO2 trong các hệ thống này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững.

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

Nghiên cứu điều chế bột TiO2 nano pha tạp nitơ và natri đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu quang xúc tác. Với những ưu điểm vượt trội về tính chất quang học và khả năng ứng dụng, TiO2 nano hứa hẹn sẽ trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của TiO2 nano.

5.1. Triển vọng nghiên cứu TiO2 nano trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, nghiên cứu TiO2 nano sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất quang xúc tác và phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng và môi trường.

5.2. Tầm quan trọng của TiO2 nano trong phát triển bền vững

TiO2 nano không chỉ có tiềm năng trong lĩnh vực công nghiệp mà còn đóng góp vào các giải pháp bền vững cho môi trường. Việc sử dụng TiO2 trong xử lý nước thải và sản xuất năng lượng sạch sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Titan đioxit (TiO2) là một trong những vật liệu bán dẫn quang xúc tác được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay, chiếm gần 50% tổng lượng tiêu thụ vật liệu quang xúc tác trên toàn cầu. Mặc dù sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như độ bền hóa học cao, không độc hại và chi phí hợp lý, TiO2 nguyên chất lại tồn tại hạn chế lớn về mặt quang học. Với độ rộng vùng cấm năng lượng đạt 3,05 eV ở pha rutin và 3,25 eV ở pha anata, vật liệu chỉ có thể kích hoạt dưới bức xạ tử ngoại (UV có bước sóng λ < 380 nm). Tuy nhiên, bức xạ tử ngoại chỉ chiếm khoảng 4% trong tổng phổ bức xạ ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất, khiến hiệu quả tận dụng năng lượng tự nhiên trong xử lý môi trường bị thu hẹp đáng kể.

Để khắc phục nhược điểm này, đề tài tập trung nghiên cứu quy trình điều chế bột nano TiO2 đồng pha tạp hai nguyên tố nitơ và natri (ký hiệu N-Na.TiO2) nhằm thu hẹp dải trống năng lượng, dịch chuyển vùng hấp thụ sang phổ ánh sáng nhìn thấy (vùng khả kiến). Mục tiêu cụ thể là thiết lập các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình thủy phân tiền chất tetraisopropyl orthotitanat (TTIP), xác định cấu trúc tinh thể và đánh giá hoạt tính quang phân hủy chất hữu cơ. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật liệu mới thuộc Bộ môn Hóa vô cơ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn năm 2014. Kết quả mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn trong việc chế tạo vật liệu lọc khí, xử lý nước thải công nghiệp và sơn tự làm sạch với chi phí vận hành giảm hơn 60% so với các hệ thống chiếu xạ UV truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết quang xúc tác bán dẫn dị thể và lý thuyết biến tính dải năng lượng vùng cấm (Bandgap Engineering). Khi chất bán dẫn TiO2 hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm ($E_g$), các electron ($e^-$) từ vùng hóa trị sẽ nhảy lên vùng dẫn, đồng thời để lại các lỗ trống ($h^+$) mang điện tích dương. Các cặp electron - lỗ trống này khuếch tán ra bề mặt hạt nano để tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, sinh ra các gốc tự do hoạt tính mạnh như $\cdot OH$ và $\cdot O_2^-$, có khả năng phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành $CO_2$ và $H_2O$.

Khung lý thuyết biến tính tập trung vào cơ chế đồng pha tạp phi kim và kim loại kiềm. Nitơ ở trạng thái oxy hóa -3 thay thế vị trí của oxy trong mạng tinh thể TiO2, tạo ra các mức năng lượng cục bộ phía trên vùng hóa trị giúp thu hẹp dải cấm xuống dưới 2,8 eV. Đồng thời, ion natri ($Na^+$) xen kẽ vào cấu trúc mạng lưới đóng vai trò là tâm bẫy điện tử, hạn chế quá trình tái kết hợp giữa electron và lỗ trống, từ đó kéo dài thời gian sống của các phần tử mang điện. Sự kết hợp giữa hai dạng thù hình anata (tetragonal, khối lượng riêng 3,895 g/cm³) và rutin (tetragonal, khối lượng riêng 4,25 g/cm³) theo tỷ lệ pha thích hợp tạo nên hiệu ứng chuyển tiếp pha dị thể, tối ưu hóa hiệu suất quang hóa của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm sử dụng cỡ mẫu đồng nhất gồm 24 mẫu khảo sát các tỷ lệ pha tạp khác nhau, được tổng hợp bằng phương pháp thủy phân có kiểm soát trong dung môi ethanol - nước từ tiền chất hữu cơ titan TTIP nồng độ 10%. Phương pháp chọn mẫu phân tầng được áp dụng để khảo sát độc lập từng biến số công nghệ: tỷ lệ mol NH3/TTIP (từ 0% đến 3,0%), tỷ lệ mol NaOH/TTIP (từ 0,1% đến 0,89%), nhiệt độ nung (từ 400°C đến 700°C) và thời gian nung (từ 1 đến 4 giờ). Quá trình thủy phân diễn ra ở nhiệt độ 70 - 80°C trong 2 giờ với tốc độ khuấy cơ học 200 vòng/phút, sấy khô ở 100°C trong 4 giờ trước khi nung định hình.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm cung cấp thông tin toàn diện về cấu trúc và tính chất:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8 Advance Bruker (bước sóng CuKα λ = 0,154056 nm, điện áp 40 kV, dòng 40 mA, quét 0,03°/giây từ 10° đến 70°) dùng để xác định thành phần pha anata/rutin và tính kích thước hạt sơ cấp qua phương trình Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) dòng JEM1010 với độ phóng đại 600.000 lần và độ phân giải 3 Å để quan sát hình thái, độ đồng đều hạt nano.
• Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) trên hệ thống Oxford 300 nhằm định tính và định lượng tỷ lệ phần trăm nguyên tử của N và Na trong mạng lưới tinh thể.
• Phân tích nhiệt vi sai (TG/DSC) trên máy Labsys Setaram trong dải nhiệt độ từ 25°C đến 800°C với tốc độ nâng nhiệt 5 - 10°C/phút.
• Phương pháp đo quang phổ UV-Vis trên máy Cecil CE 1011 tại bước sóng cực đại λ = 663 nm để đánh giá hiệu suất phân hủy dung dịch chất màu chỉ thị xanh metylen (MB) nồng độ 10 mg/L dưới nguồn sáng đèn compact 40W phát xạ bước sóng trung bình 540 nm trong thời gian 2 giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã xác định được các quy luật biến đổi cấu trúc và hoạt tính quang học rõ rệt:

1. Tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp nitơ: Mẫu TiO2 nguyên chất chỉ đạt hiệu suất phân hủy quang 46,2% sau 120 phút chiếu sáng. Khi tăng tỷ lệ mol NH3/TTIP từ 0,4% lên 2,4%, hoạt tính quang xúc tác tăng liên tục và đạt đỉnh 85,2% tại tỷ lệ 2,4% mol NH3/TTIP. Khi tiếp tục tăng hàm lượng NH3 lên mức 3,0% mol, hiệu suất giảm xuống còn 74,5% do sự dư thừa nitơ tạo nên các tâm tái tổ hợp điện tử.

2. Hiệu ứng hiệp đồng khi đồng pha tạp natri: Trên nền mẫu N-TiO2 tối ưu, việc bổ sung dung dịch NaOH với tỷ lệ mol NaOH/TTIP bằng 0,54% đã nâng hiệu suất phân hủy quang lên mức cực đại đạt 93,8%. So với mẫu TiO2 không pha tạp ban đầu, hiệu suất quang phân hủy tăng hơn 2,03 lần (tương đương mức tăng 103%). Khi nồng độ NaOH vượt ngưỡng 0,7% mol, hiệu suất giảm về 78,3%.

3. Đặc trưng hình thái và tinh thể học: Giản đồ XRD chứng minh sản phẩm hình thành có độ kết tinh cao, tồn tại cấu trúc hỗn hợp pha gồm 82% anata và 18% rutin. Kích thước hạt tinh thể trung bình tính theo phương trình Scherrer đạt từ 12,9 nm đến 15,4 nm. Ảnh chụp TEM xác nhận các hạt có dạng hình cầu đồng đều, phân tán tốt với đường kính hạt nano dao động trong khoảng 10 - 20 nm.

4. Định lượng thành phần hóa học qua EDS: Kết quả phổ EDS ghi nhận sự có mặt đồng thời của nitơ với hàm lượng 1,1% nguyên tử và natri với hàm lượng 0,6% nguyên tử gắn kết chặt chẽ trong khung mạng titan oxit.

Thảo luận kết quả

Các số liệu thực nghiệm cho thấy vai trò quyết định của sự tương tác giữa hai chất pha tạp. Sự có mặt của ion nitơ $N^{3-}$ thay thế vị trí anion $O^{2-}$ đã tạo nên sự lai hóa giữa orbital 2p của nitơ và orbital 2p của oxy, thu hẹp khoảng cách vùng cấm và cho phép vật liệu hấp thụ hiệu quả dải ánh sáng khả kiến có bước sóng từ 400 nm đến 600 nm của đèn compact dân dụng 40W. Cùng lúc đó, ion $Na^+$ phân bố ở bề mặt và các khoảng trống tinh thể làm biến dạng mạng lưới tứ phương, tạo rào thế ngăn cản electron tái hợp với lỗ trống quang sinh.

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua đồ thị đường cong quang phổ và bảng thành phần pha cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa nhiệt độ nung và hoạt tính. Mẫu được nung ở 550°C trong 2 giờ giữ được tỷ lệ pha anata chiếm ưu thế ổn định, đồng thời bảo toàn kích thước hạt dưới 15 nm. Khi nâng nhiệt độ nung lên 700°C, pha anata bị chuyển đổi hoàn toàn sang pha rutin kém hoạt tính hơn, kích thước hạt tăng lên trên 45 nm làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc. So sánh với các nghiên cứu công bố về vật liệu thương mại Degussa P-25 hay TiO2 pha tạp đơn nguyên tố, mẫu N-Na.TiO2 tối ưu thể hiện tốc độ suy giảm nồng độ xanh metylen nhanh hơn 1,45 lần trong cùng điều kiện chiếu sáng khả kiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo ở quy mô pilot: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ hóa chất cần tiến hành nâng cấp quy mô mẻ tổng hợp từ 50 gram lên 5 - 10 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới, kiểm soát chặt chẽ tốc độ nhỏ giọt dung dịch TTIP 10% và duy trì ổn định nhiệt độ thủy phân 75°C để bảo đảm độ lặp lại của kích thước hạt nano dưới 20 nm.

2. Thử nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế: Các trung tâm quan trắc và kỹ thuật môi trường nên triển khai ứng dụng bột xúc tác N-Na.TiO2 vào hệ thống module xử lý nước thải dệt nhuộm chứa phẩm màu azo, đặt mục tiêu loại bỏ trên 90% chỉ số COD và khử màu hoàn toàn với liều lượng xúc tác 0,5 g/L trong thời gian chiếu xạ tự nhiên 3 giờ, dự kiến hoàn thành giai đoạn thử nghiệm trong 6 tháng.

3. Phát triển màng phủ và sơn tự làm sạch: Các đơn vị sản xuất vật liệu xây dựng cần phối hợp nghiên cứu phối trộn hạt nano N-Na.TiO2 vào chất mang polymer acrylic với tỷ lệ 1,5 - 2,5% khối lượng để tạo màng sơn tự sạch bề mặt ngoại thất, giảm thiểu 80% rêu mốc và bụi bẩn hữu cơ bám dính dưới ánh sáng mặt trời trong lộ trình 18 tháng.

4. Tích hợp vật liệu vào màng lọc quang xúc tác cho máy lọc khí: Đề xuất các kỹ sư cơ điện tử và chế tạo thiết bị môi trường tích hợp lớp phủ bột nano lên màng lọc HEPA kết hợp đèn LED ánh sáng trắng công suất thấp (15 - 20W), hướng tới tiêu diệt 99,2% vi khuẩn và phân hủy hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong nhà ở giai đoạn 2025 - 2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa vô cơ, Khoa học Vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác, phương pháp tính toán kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer và quy trình tổng hợp thủy phân có kiểm soát để phục vụ các đề tài phát triển vật liệu cấu trúc nano tiên tiến.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và xử lý chất thải: Tham khảo trực tiếp các thông số động học quang phân hủy, phương pháp xây dựng đường chuẩn trắc quang Lambert-Beer để thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp sử dụng ánh sáng tự nhiên.
• Nhà phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sơn và gốm sứ cao cấp: Nắm bắt kỹ thuật biến tính bề mặt vật liệu bán dẫn để tích hợp tính năng kháng khuẩn, diệt nấm mốc và tự làm sạch vào các sản phẩm thương mại phục vụ y tế, bệnh viện và công trình dân dụng.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học: Sử dụng toàn bộ quy trình thực nghiệm, số liệu phân tích XRD, TEM, EDS, TG/DSC làm học liệu tham khảo chuyên sâu cho các học phần Vật liệu bán dẫn, Quang hóa học và Hóa học chất rắn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc đồng pha tạp nitơ và natri lại nâng cao hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy?
Nguyên tử nitơ thay thế vị trí oxy giúp thu hẹp vùng cấm năng lượng từ 3,25 eV xuống dưới 2,8 eV để hấp thụ ánh sáng khả kiến (400 - 600 nm). Đồng thời, ion natri tạo các bẫy điện tử trên mạng tinh thể, làm chậm quá trình tái kết hợp của cặp electron - lỗ trống, giúp hiệu suất quang xúc tác đạt 93,8%.

Phương pháp thủy phân sử dụng tiền chất TTIP có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
Phương pháp thủy phân TTIP 10% trong dung môi ethanol cho phép kiểm soát chặt chẽ tốc độ hình thành mầm kết tinh ở nhiệt độ 70 - 80°C. Kỹ thuật này giúp sản phẩm đạt kích thước hạt nano đồng đều từ 12,9 đến 15,4 nm, trang thiết bị đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp nhiệt phân hay bốc bay nhiệt.

Tỷ lệ pha tạp tối ưu của NH3 và NaOH trong luận văn là bao nhiêu?
Kết quả thực nghiệm xác định tỷ lệ mol tối ưu là 2,4% NH3/TTIP và 0,54% NaOH/TTIP. Tại tỷ lệ này, lượng nitơ và natri kết hợp hoàn hảo trong mạng lưới tinh thể, cho hiệu suất phân hủy phẩm màu xanh metylen cao nhất dưới nguồn sáng đèn compact dân dụng 40W.

Nhiệt độ nung ảnh hưởng như thế nào đến thành phần pha của nano TiO2?
Khi nung ở 550°C trong 2 giờ, sản phẩm duy trì được cấu trúc tinh thể tối ưu với 82% pha anata và 18% pha rutin. Nếu tăng nhiệt độ nung lên 700°C, toàn bộ anata chuyển biến hoàn toàn thành rutin, kích thước hạt tăng trên 45 nm làm suy giảm nghiêm trọng diện tích tiếp xúc và hoạt tính quang xúc tác.

Vật liệu N-Na.TiO2 có thể ứng dụng trong điều kiện ánh sáng thực tế như thế nào?
Vật liệu phản ứng nhạy với dải sóng 400 - 600 nm, do đó có thể hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên hoặc bóng đèn chiếu sáng gia dụng thông thường (compact, LED 40W) mà không bắt buộc phải trang bị nguồn đèn phát tia cực tím công suất lớn.

Kết luận

• Đề tài đã nghiên cứu và hoàn thiện thành công quy trình điều chế bột nano TiO2 đồng pha tạp nitơ và natri bằng phương pháp thủy phân tiền chất TTIP trong dung môi nước - ethanol ở nhiệt độ 70 - 80°C.
• Xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu gồm: tỷ lệ mol NH3/TTIP đạt 2,4%, tỷ lệ mol NaOH/TTIP đạt 0,54%, sấy ở 100°C trong 4 giờ và nung ở 550°C trong 2 giờ.
• Sản phẩm thu được có cấu trúc nano hình cầu đồng đều với kích thước hạt tinh thể 12,9 - 15,4 nm, tồn tại ở dạng hỗn hợp hai pha anata (82%) và rutin (18%) với độ kết tinh cao.
• Vật liệu đạt hiệu suất quang phân hủy xanh metylen lên tới 93,8% dưới bức xạ ánh sáng khả kiến của đèn compact 40W sau 120 phút, vượt trội hơn 2,03 lần so với mẫu TiO2 nguyên chất.
• Bước kế tiếp cần tập trung mở rộng thử nghiệm trên các nguồn nước thải công nghiệp đa thành phần và tối ưu hóa quy trình chế tạo màng xúc tác cố định trong vòng 12 tháng tới; các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác số liệu luận văn để thúc đẩy chuyển giao công nghệ làm sạch xanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Vũ Thị Phƣơng Thúy NGHIÊN CƢ́U ĐIỀU CHẾ BỘT TiO2 KÍCH THƢỚC NANO PHA TẠP NITƠ VÀ NATRI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Vũ Thị Phƣơng Thúy NGHIÊN CƢ́U ĐIỀU CHẾ BỘT TiO2 KÍCH THƢỚC NANO PHA TẠP NITƠ VÀ NATRI Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ SỸ LƢƠNG Hà Nội – Năm 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc si ̃ này được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Vật liệu mới của bộ môn Hóa vô cơ, khoa Hóa học, trường đại học Khoa học tự nhiên, đại học Quố c gia Hà Nội. Để hoàn thành được luận văn thạc si ̃ này , em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhấ t tới PGS .TS Ngô Sỹ Lương người thầ y đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn , giúp đỡ ,chỉ bảo sâu sắc về mặt khoa học và thực nghiệm trong suố t quá trình em thực hiê ̣n và hoàn thành luận văn này Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầ y cô ở bộ môn Hóa vô cơ , các anh chi ̣ và các bạn trong phòng thí nghiê ̣m Vật liê ̣u mới đã tạo điề u kiê ̣n và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cuố i cùng em xin gửi lời cảm ơn tới bố me, ̣ chị em trong gia đình đã chu cấ p về mặt tài chính và động viên về mặt tinh thầ n cho em yên tâm học tậ .p Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Học viên Vũ Thị Phương Thúy LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN .1 ̣ VỀ TITAN ĐIOXIT KÍCH THƢỚC NANÔ MÉ T .1 Cấu trúc và tính chất vật lý của TiO2. Sự chuyển dạng thù hình của titan đioxit.

Tính chất hóa học của titan đioxit. Các ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thƣớc nm. GIỚI THIỆU VỀ TiO2 KÍCH THƢỚC NANO MÉT PHA TẠP. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO TiO2 PHA TẠP.

Một số phương pháp vật lý. Một số phương pháp hóa học điển hình. CÁC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ TiO2 PHA TẠP BẰNG NaOH. MỘT SỐ NGHIÊN CƢ́U ĐIỀU CHẾ TiO 2 PHA TẠP BẰNG CÁC HỢP CHẤT N(-III).

MỘT SỐ KẾT LUẬN RÚT RA TỪ CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .20 Chƣơng 2- THƢ̣C NGHIÊ ̣M. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn. Mục tiêu nghiên cứu. Các nội dung nghiên cứu.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị. Dụng cụ và thiết bị. Thực nghiệm điều chế bột TiO2 kích thƣớc nm .24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các phƣơng pháp nghiên cứu.

Phương pháp đo quang xác định hiệu suất quang xúc của sản phẩm. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM. Phổ tán xạ năng lƣợng tia X ( EDS ).

Phương pháp phân tích nhiệt .34 Chƣơng 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CƢ́U VÀ THẢO LUẬN. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấ u trúc tinh thể – thành phần pha – họat tính quang xúc tác của sản phẩ m bô ̣t TiO2 kích thƣớc nm. Ảnh hƣởng của tỷ lệ % mol N/TiO2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ NaOH/TiO2.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung. Quy trình điều chế N-Na.TiO2 dạng bột kích thƣớc nm. Quy triǹ h điề u chế.

Cách tiến hành. Các đặc trƣng cấu trúc và tính chất của sản phẩm. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả đo EDS.

Kết quả đo TEM .59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Một số tính chất của dạng anata và rutin .2: Sản lƣợng titan đioxit trên thế giới qua một số năm. Nồng độ của dung dịch MB và độ hấp thụ quang. hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu.

Kích thƣớc hạt tinh thể trung bình. Bảng hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu. Kích thƣớc hạt tinh thể trung bin ̀ h. kích thƣớc hạt tinh thể trung bình.

Bảng hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu. Hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu ở các thời gian nung khác nhau.51 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2. Lượng TiO2 sử dụng hằ ng năm trong lĩnh vực quang xúc tác. Sơ đồ quá trình thực nghiệm ảnh hƣờng của % mol Na.2: Quang phổ đèn compact 40W hiệu Golsta .3: Thiết bị phản ứng phân hủy xanh metylen (MB).

Đồ thị và phƣơng trình đƣờng chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ quang Abs và nồng độ xanh metylen. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance 5005 (CHLB Đức).7: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỉ lệ % mol N.TiO2 đến hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu.2: Phổ EDS và thành phần hóa học của sản phẩm N-TiO2 .Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 đƣợc điều chế với tỉ lệ % mol N.TiO2 khác nhau.40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của tỷ lệ % mol Na.TiO2 đến hiệu suất phân hủy quang của các mẫu nghiên cứu. Phổ EDS và thành phần hóa học của sản phẩm N-Na. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-Na.TiO2 đƣợc điều chế với tỉ lệ % mol Na.TiO2 khác nhau.44 Kích thƣớc hạt tinh thể trung bình tính theo phƣơng trình Scherrer là khá nhỏ (nhƣ đƣợc chỉ ra ở bảng 3. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu pha ta ̣p nitơ với.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu pha ta ̣p nitơ và natri với. Giản đồ XRD phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian nung đến hiệu suất phân hủy quang xúc tác.

Giản đồ XRD phụ thuộc vào thời gian nung. Sơ đồ quá trình thực nghiệm điều chế bột nano N-Na.TiO2 theo phƣơng pháp thủy phân. Giản đồ XRD mcủa hai mẫu sản phẩm ứng với tỉ lệ % mol. Phổ EDS và thành phần hóa học của sản phẩm N-Na.

Ảnh TEM của bột N-Na. TiO2 với tỉ lệ % mol N.4% và tỉ lệ % mol N.57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU Titan đioxit (TiO2) là chất bán dẫn có dải trống năng lƣợng của rutin là 3.05 eV và của anata là 3.25 eV nên có khả năng thực hiện các phản ứng quang xúc tác. Khả năng quang xúc tác của TiO2 thể hiện ở 3 hiệu ứng: quang khử nƣớc trên điện cực TiO2, tạo bề mặt siêu thấm nƣớc và quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ dƣới ánh sáng tử ngoại λ < 380 nm. Vì vậy hiện nay vật liệu TiO2 đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhiều, nhất là trong lĩnh vực xử lý môi trƣờng nƣớc và khí với vai trò xúc tác quang.

Tuy nhiên phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời đến bề mặt trái đất chỉ chiếm ~ 4% nên việc sử dụng nguồn bức xạ này vào mục đích xử lý môi trƣờng với xúc tác quang TiO2 bị hạn chế [30]. Để mở rộng khả năng sử dụng năng lƣợng bức xạ mặt trời cả ở vùng bƣớc sóng nhìn thấy vào phản ứng quang xúc tác, các nhà nghiên cứu đã tiến hành pha ta ̣p vật liệu TiO2 bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ đƣa thêm các kim loại, oxit kim loại của các nguyên tố khác nhau vào trong mạng tinh thể TiO2 nhƣ Zn, Fe, Cr, Eu, Y, Ag, Ni ,Li ,Na ,K…hoặc đƣa thêm các phi kim nhƣ N, C, S, F, Cl… hoặc đồng thời đƣa hỗn hợp các nguyên tố vào mạng tinh thể TiO2… Hầu hết những sản phẩm đƣợc biến tính có hoạt tính xúc tác cao hơn so với TiO2 nguyên chất trong vùng ánh sáng nhìn thấy [30]. Cho đến nay, số công trình nghiên cứu pha ta ̣p TiO2 kích thƣớc nm khá lớn, đặc biệt là pha ta ̣p bằng nitơ. Sở dĩ pha ta ̣p TiO2 kích thƣớc nm bằng nitơ đƣợc nghiên cứu nhiều vì các hợp chất chứa nitơ (NH3, ure, các muối amoni, các hợp chất amin) đƣợc sử dụng phổ biến trong quá trình điều chế TiO2 kích thƣớc nm với vai trò điều chỉnh pH, làm chất định hƣớng cấu trúc.

Đồng thời nhiều công trình nghiên cứu cho thấy N3- có tham gia vào cấu trúc TiO2 làm thay đổi cấu trúc và tính chất quang xúc tác của vật liệu. Còn phƣơng pháp 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] điều chế TiO2 bằng phƣơng pháp thủy phân muố i của titan trong dung dich ̣ nƣớc có sử dụng NaOH làm nguồn cung cấp đƣa ion Na+ vào thành phần của TiO2 nhằm nâng cao hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm là phƣơng pháp khá đơn giản, kinh tế, có tính khả thi và hiệu quả cao. Với mong muốn đƣợc đóng góp một phần nhỏ vào sự phát triển của lĩnh vực vật liệu mới nói chung và vâ ̣t liê ̣u TiO2 với kích thƣớc cỡ nm nói riêng, chúng tôi đã lƣ̣a cho ̣n đ ề tài nghiên cƣ́u cho lu ận văn này là: “Nghiên cƣ́u điều chế bô ̣t TiO2 kích thƣớc nano pha tạp nitơ và natri”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIOXIT KÍ CH THƢỚC NANÔ MÉT 1.1 Cấu trúc và tính chất vật lý của TiO2 Titan đioxit 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 (Tnc = 1870oC) [4,7]. TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể là anata (tetragonal), rutin (tetragonal) và brukit (orthorhombic), nhƣng chỉ có anata và rutin đƣợc sử dụng làm quang xúc tác. Cấu trúc tinh thể của ba dạng thù hình anata, rutin và brukit đƣợc đƣa ra trong hình 1.

Dạng anata Dạng rutin Dạng brukit Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 Rutin là dạng bền và phổ biến nhất của TiO2, có mạng lƣới tứ phƣơng trong đó mỗi ion Ti4+ đƣợc ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2, anata và brukit là các dạng giả bền và chuyển thành rutin khi nung nóng.