Nghiên Cứu Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Bột Titan Đioxit Kích Thước Nano Biến Tính Vonfram

Nghiên cứu điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit nano biến tính vonfram, ứng dụng trong công nghệ xanh.

• Tác giả: Đặng Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Sỹ Lương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Bột Titan Đioxit Kích Thước Nano Biến Tính Vonfram
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu TiO2 Nano Biến Tính Vonfram

Vật liệu titan đioxit (TiO2) đã được thương mại hóa từ đầu thế kỷ 20 và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đến năm 1972, Fujishima và Honda phát hiện ra hiện tượng quang phân giải nước trên điện cực TiO2 dưới tác dụng của tia UV. Từ đó, vật liệu TiO2 kích thước nano ở các dạng thù hình như rutile, anatase và brookite thu hút sự quan tâm lớn. Chúng được ứng dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, xử lý môi trường, sơn tự làm sạch, pin mặt trời và y học. Quá trình quang xúc tác bán dẫn là một trong những quá trình oxy hóa nâng cao nhờ ánh sáng, có vai trò quan trọng trong xử lý nước và nước thải. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính TiO2 bằng vonfram để nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

1.1. Ứng Dụng Đa Dạng Của Titan Đioxit Nano

TiO2 nano được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ tính chất độc đáo của nó. Các ứng dụng bao gồm chất màu cho sơn, chất độn trong cao su, kem chống nắng, kem đánh răng, và trong ngành nhựa, giấy, vải sợi. Đặc biệt, khả năng quang xúc tác của TiO2 nano đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong xử lý ô nhiễm môi trường và năng lượng tái tạo. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của TiO2 nano vẫn đang tiếp tục, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

1.2. Vai Trò Của Quang Xúc Tác Trong Xử Lý Môi Trường

Quá trình quang xúc tác sử dụng chất bán dẫn như TiO2 để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng. Quá trình này có nhiều ưu điểm như khả năng vô cơ hóa hoàn toàn các chất hữu cơ, không tạo ra bùn thải, chi phí thấp và có thể thực hiện ở điều kiện áp suất thường. TiO2 được coi là chất quang xúc tác phù hợp nhất cho các ứng dụng xử lý môi trường nhờ hoạt tính cao, tính trơ hóa học và sinh học, độ bền và giá thành thấp. Tuy nhiên, vùng cấm năng lượng lớn của TiO2 hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.

II. Thách Thức Hiệu Suất Quang Xúc Tác Của TiO2 Nano

Mặc dù TiO2 có nhiều ưu điểm, năng lượng vùng cấm lớn (3.25 eV cho anatase và 3.05 eV cho rutile) giới hạn khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại gần. Điều này chỉ cho phép tận dụng một phần nhỏ (<4%) năng lượng mặt trời, hạn chế ứng dụng thực tiễn. Do đó, một xu hướng quan trọng là tìm cách thu hẹp vùng cấm của TiO2 để tận dụng tối đa năng lượng ánh sáng mặt trời. Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc pha tạp TiO2 bằng các ion kim loại và phi kim để cải thiện hiệu suất quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

2.1. Giới Hạn Về Vùng Cấm Năng Lượng Của TiO2

Năng lượng vùng cấm của TiO2 tinh khiết khá lớn, dẫn đến việc chỉ có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại gần. Điều này làm giảm đáng kể hiệu suất quang xúc tác khi sử dụng ánh sáng mặt trời, vốn có thành phần ánh sáng nhìn thấy lớn hơn nhiều. Việc cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của TiO2 là một thách thức quan trọng để mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực như xử lý nước thải và năng lượng mặt trời.

2.2. Giải Pháp Thu Hẹp Vùng Cấm Năng Lượng TiO2

Để khắc phục hạn chế về vùng cấm năng lượng, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp, trong đó có việc pha tạp TiO2 bằng các ion kim loại và phi kim. Việc pha tạp có thể làm thay đổi cấu trúc điện tử của TiO2, từ đó thu hẹp vùng cấm năng lượng và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Các kim loại chuyển tiếp như vonfram đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác của TiO2.

2.3. Ảnh Hưởng Của Pha Tạp Đến Cấu Trúc Và Tính Chất TiO2

Việc pha tạp TiO2 không chỉ ảnh hưởng đến vùng cấm năng lượng mà còn có thể thay đổi cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt và các tính chất khác của vật liệu. Những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác của TiO2. Do đó, việc lựa chọn chất pha tạp và điều kiện pha tạp phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

III. Phương Pháp Biến Tính Vonfram Nâng Cao Hoạt Tính TiO2

Trong số các kim loại chuyển tiếp, vonfram đã được chứng minh là có khả năng thay đổi cấu trúc và cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Số lượng công trình nghiên cứu về điều chế vật liệu TiO2 pha tạp ngày càng tăng, cho thấy sự quan tâm lớn của các nhà khoa học. Ở Việt Nam, việc điều chế vật liệu TiO2 pha tạp bằng vonfram cũng đã được tiến hành ở một số cơ sở nghiên cứu, tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ. Nghiên cứu này tập trung vào việc điều chế và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thước nano được biến tính bằng vonfram.

3.1. Ưu Điểm Của Vonfram Trong Biến Tính TiO2

Vonfram là một kim loại chuyển tiếp có nhiều ưu điểm khi được sử dụng để biến tính TiO2. Nó có thể tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của TiO2, tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng. Ngoài ra, vonfram có thể hoạt động như một trung tâm bẫy electron, giảm sự tái hợp của các cặp electron-hole và tăng hiệu suất quang xúc tác.

3.2. Cơ Chế Cải Thiện Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Vonfram

Cơ chế cải thiện hoạt tính quang xúc tác của vonfram trong TiO2 có thể được giải thích bằng sự hình thành các mức năng lượng trung gian trong vùng cấm năng lượng. Các mức năng lượng này cho phép TiO2 hấp thụ ánh sáng có năng lượng thấp hơn, mở rộng phạm vi hoạt động của nó trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Ngoài ra, vonfram có thể cải thiện sự tách biệt của các cặp electron-hole, giảm sự tái hợp và tăng số lượng các electron và lỗ trống có sẵn để tham gia vào các phản ứng quang xúc tác.

3.3. Các Phương Pháp Biến Tính TiO2 Bằng Vonfram

Có nhiều phương pháp khác nhau để biến tính TiO2 bằng vonfram, bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp tẩm, và phương pháp phún xạ. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Phương pháp sol-gel là một phương pháp phổ biến để điều chế TiO2 nano biến tính vonfram do tính đơn giản và khả năng kiểm soát kích thước hạt và thành phần.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của TiO2 Nano Biến Tính Vonfram

Vật liệu TiO2 nano biến tính vonfram có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất năng lượng sạch. Khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí, cũng như khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hoặc hydro, làm cho vật liệu này trở thành một giải pháp hứa hẹn cho các vấn đề toàn cầu. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng thực tế của TiO2 nano biến tính vonfram đang được tiến hành mạnh mẽ trên toàn thế giới.

4.1. Xử Lý Ô Nhiễm Nước Bằng TiO2 Biến Tính Vonfram

TiO2 nano biến tính vonfram có thể được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, và các hợp chất dược phẩm. Quá trình quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV để kích hoạt TiO2, tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và nước. Ứng dụng này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.2. Ứng Dụng Trong Sản Xuất Năng Lượng Sạch

TiO2 nano biến tính vonfram có thể được sử dụng trong các thiết bị quang điện như pin mặt trời để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Việc biến tính bằng vonfram có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời. Ngoài ra, TiO2 cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống phân tách nước bằng ánh sáng để sản xuất hydro, một nguồn năng lượng sạch và bền vững.

4.3. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Khác Của Vật Liệu

Ngoài các ứng dụng trong xử lý môi trường và năng lượng, TiO2 nano biến tính vonfram còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm y học (ví dụ, trong các vật liệu kháng khuẩn và chống ung thư), xây dựng (ví dụ, trong các vật liệu tự làm sạch), và điện tử (ví dụ, trong các cảm biến và linh kiện quang học). Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của vật liệu này vẫn đang tiếp tục, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu TiO2 Nano

Nghiên cứu về TiO2 nano biến tính vonfram đã cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác và mở rộng ứng dụng thực tế. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc phát triển các phương pháp điều chế vật liệu tiên tiến hơn, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế quang xúc tác, và thử nghiệm ứng dụng trong các điều kiện thực tế. Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và doanh nghiệp là rất quan trọng để đưa TiO2 nano biến tính vonfram trở thành một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề toàn cầu.

5.1. Thách Thức Và Cơ Hội Trong Nghiên Cứu TiO2

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu TiO2 nano, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, bao gồm việc cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng của vật liệu, giảm chi phí sản xuất, và đảm bảo tính an toàn cho môi trường và sức khỏe con người. Tuy nhiên, những cơ hội mà TiO2 nano mang lại là rất lớn, và việc tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu này.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiên Tiến Về Vật Liệu Quang Xúc Tác

Các hướng nghiên cứu tiên tiến về vật liệu quang xúc tác bao gồm việc phát triển các vật liệu composite kết hợp TiO2 với các vật liệu khác để tăng cường hoạt tính quang xúc tác, nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc nano phức tạp để tối ưu hóa diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng, và phát triển các vật liệu có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng hồng ngoại. Ngoài ra, việc nghiên cứu các cơ chế phản ứng quang xúc tác ở cấp độ phân tử cũng rất quan trọng để thiết kế các vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn.

5.3. Tầm Quan Trọng Của Hợp Tác Trong Nghiên Cứu Khoa Học

Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và doanh nghiệp là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của TiO2 nano và các vật liệu quang xúc tác khác. Sự hợp tác này có thể giúp chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và nguồn lực, đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển, và đưa các sản phẩm và công nghệ mới ra thị trường một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Vật liệu titan đioxit (TiO2) được sản xuất thương mại vào đầu thế kỷ 20 và nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: làm chất màu cho sơn, chất độn trong cao su, kem chống nắng, kem đánh răng, ứng dụng trong nhựa, giấy, vải sợi, …. Đến năm 1972, nhóm nghiên cứu gồm Fujishima và Honda khám phá ra hiện tượng quang phân giải nước trên bề mặt điện cực TiO2 dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại [21]. Kể từ thời điểm này, vật liệu TiO2 kích thước nano mét ở các dạng thù hình rutin, anata và brukit được nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm bởi những ứng dụng tuyệt vời của chúng như: làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất hữu cơ, chất xúc tác quang hoá trong xử lí môi trường, chế sơn tự làm sạch, vật liệu chuyển hoá năng lượng trong pin mặt trời, ứng dụng trong y học,. Quá trình quang xúc tác bán dẫn là một trong những quá trình oxi hóa nâng cao nhờ ánh sáng và trong khoảng hơn mười năm trở lại đây được xem là quá trình có tầm quan trọng trong lĩnh vực xử lí nước và nước thải.

Quá trình này có nhiều ưu việt như: sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt đến mức vô cơ hóa hoàn toàn, không sinh ra bùn hoặc bã thải, chi phí thấp, có thể thực hiện trong điều kiện áp suất bình thường và có thể sử dụng chất xúc tác không độc và rẻ tiền [20, 27, 29]. Cho đến nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu cơ bản về các phản ứng quang xúc tác với sự có mặt những chất quang xúc tác bán dẫn khác nhau. Mặt khác, nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng quy mô phòng thí nghiệm cũng như ứng dụng quy mô thử nghiệm trong phạm vi chương trình nghiên cứu quốc gia và quốc tế đã cho thấy những triển vọng to lớn của quá trình phân hủy quang xúc tác trong xử lí nước và nước thải công nghiệp. Trong nhiều chất bán dẫn có khả năng quang xúc tác như: TiO 2, WO3, SrTiO3, Fe2O3, ZnO, ZnS, CdS,.

TiO2 được chứng minh là phù hợp nhất cho các ứng dụng rộng rãi trong xử lí môi trường do TiO2 có hoạt tính quang xúc tác cao nhất, trơ về hóa học và sinh học, bền vững, không bị ăn mòn dưới tác dụng của ánh sáng và hóa học, giá thành thấp. Tuy nhiên, do năng lượng vùng cấm của TiO2 tinh khiết khá lớn (3,25 eV đối với pha anata và 3,05 eV đối với pha rutin) nên chỉ hoạt động quang xúc tác trong vùng tử ngoại gần và do đó 1 z chỉ có thể tận dụng được một phần nhỏ (< 4%) nguồn năng lượng mặt trời, làm giới hạn ứng dụng thực tiễn của nó. Một xu hướng đang được các nhà nghiên cứu quan tâm là tìm cách thu hẹp vùng cấm của TiO2, sao cho có thể tận dụng được tối đa nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời cho các mục đích quang xúc tác của chúng. Để đạt mục đích đó, nhiều ion kim loại và không kim loại đã được sử dụng để pha tạp các dạng thù hình của TiO2 bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Kết quả bước đầu cho thấy, việc pha tạp TiO2 bằng các ion kim loại, đặc biệt là các ion kim loại chuyển tiếp đã cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy [22, 23, 30]. Trong các kim loại chuyển tiếp được sử dụng, vonfram đã được chứng tỏ là làm thay đổi cấu trúc và mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Trên thế giới, số lượng công trình công bố về lĩnh vực điều chế vật liệu TiO2 được pha tạp đang ngày càng tăng, chứng tỏ sự quan tâm ngày càng nhiều của các nhà khoa học [13-17]. Ở Việt Nam, việc điều chế vật liệu TiO2 được pha tạp bằng vonfram và ứng dụng loại vật liệu này cũng đã được tiến hành ở một số cơ sở nghiên cứu [3, 4].

Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu này vẫn mới chỉ là bước đầu. Vì những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn là: “Nghiên cứu điều chế, khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thƣớc nano đƣợc biến tính vonfram”. GIỚI THIỆU VỀ TiO2 KÍCH THƢỚC NANO MÉT 1. Cấu trúc và tính chất vật lý của titan đioxit TiO2 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 (Tnc0 = 18700C) [2]. TiO2 có ba dạng thù hình tinh thể là anata (tetragonal), rutin (tetragonal) và brukit (orthorhombic) [19] (Hình 1. Cấu trúc tinh thể anata Cấu trúc tinh thể rutin Cấu trúc tinh thể brukit Hình 1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 3 z Rutin 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, anata và brukit là các dạng giả bền và chuyển thành rutin khi nung nóng.

Trong các dạng thù hình của TiO2 thì dạng anata thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao hơn các dạng còn lại. Những sự khác nhau trong cấu trúc mạng lưới dẫn đến sự khác nhau về mật độ điện tử giữa hai dạng thù hình rutin và anata của TiO2 và đây là nguyên nhân của một số sự khác biệt về tính chất giữa chúng. Chính vì vậy khi điều chế TiO2 cho mục đích ứng dụng thực tế cụ thể người ta thường quan tâm đến kích thước, diện tích bề mặt và cấu trúc tinh thể của sản phẩm. Một số tính chất vật lý của TiO2 ở dạng anata và rutin STT Tính chất vật lý Anata Rutin 1 Cấu trúc tinh thể Tứ phương Tứ phương 2 Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1.850 3 Khối lượng riêng (g/cm3) 3,84 4,20 4 Độ cứng Mohs 5,5 – 6,0 6,0 – 7,0 5 Chỉ số khúc xạ 2,54 2,75 6 Hắng số điện môi 31 114 7 Nhiệt dung riêng (cal/mol.oC) 12,96 13,2 8 Năng lượng vùng cấm (eV) 3,25 3,05 Quá trình chuyển dạng thù hình của TiO2 vô định hình - anata - rutin bị ảnh hưởng rõ rệt bởi các điều kiện tổng hợp và các tạp chất, quá trình chuyển pha từ dạng vô định hình hoặc cấu trúc anata sang cấu trúc rutin bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ 500oC [37].

4 z Theo tác giả công trình [1] thì năng lượng hoạt hoá của quá trình chuyển anata thành rutin phụ thuộc vào kích thước hạt của anata, nếu kích thước hạt càng bé thì năng lượng hoạt hoá cần thiết để chuyển anata thành rutin càng nhỏ. Ngoài ra, sự có mặt của các tạp chất cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ và tốc độ chuyển pha anata thành rutin [37]. Tính chất hóa học của titan đioxit TiO2 bền về mặt hoá học (nhất là dạng đã nung), không phản ứng với nước, dung dịch axit vô cơ loãng, kiềm, amoniac, các axit hữu cơ [9]. TiO2 tan không đáng kể trong các dung dịch kiềm tạo ra các muối titanat.

TiO2 tan rõ rệt trong borac và trong photphat nóng chảy. Khi đun nóng lâu với axit H2SO4 đặc thì nó chuyển vào trạng thái hoà tan (khi tăng nhiệt độ nung của TiO2 thì độ tan giảm). TiO2 tác dụng được với axit HF hoặc với 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.

TiO2 dễ bị hidro, cacbon monooxit và titan kim loại khử về các oxit thấp hơn. Tính chất điện tử Các trạng thái điện tử của TiO2 có thể phân chia thành ba loại: liên kết  của các trạng thái O p và Ti eg trong vùng năng lượng thấp hơn; liên kết  của các trạng thái O p và Ti eg trong vùng năng lượng trung bình; và các trạng thái O p trong vùng năng lượng cao hơn. Phần dưới cùng của vùng dẫn thấp hơn (CB) gồm có các obitan Ti dxy đóng góp vào các tương tác kim loại - kim loại dẫn đến liên kết  của các trạng thái Ti t2g - Ti t2g. Giản đồ sự phân bố các mức năng lượng của các obitan phân tử đối với anata được đưa ra như hình 1.2 dưới đây: 5 z Hình 1.

Giản đồ MO của anata (a)-Các mức AO của Ti và O; (b)-Các mức tách trong trường tinh thể; (c)- Trạng thái tương tác cuối cùng trong anata. Các phần đóng góp nhiều hay ít được biểu diễn bằng các đường liền hoặc đường chấm chấm tương ứng. TiO2 ở dạng anata có hoạt tính quang hóa cao hơn 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 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. Anata có năng lượng vùng cấm là 3,25 eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 382 nm. Rutin có năng lượng vùng cấm là 3,05 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 407 nm. Giản đồ năng lượng của anata và rutin được chỉ ra trong hình 1.

6 z Vùng dẫn Vùng cấm VùngVùng hóahóa trị trị Rutin Anata Hình 1. Giản đồ miền năng lượng của anata và rutin Vùng hóa trị của anata và rutin 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. 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 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. Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxy hóa nước thành OH , cũng như một số gốc hữu cơ khác: TiO2 (h+) + H2O → OH + H+ + TiO2 (1.1) Vùng dẫn của rutin có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế chuẩn = 0,00 V), trong khi với anata thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một thế khử mạnh hơn. Theo như giản đồ thì anata có khả năng khử O2 thành O2‾, như vậy là anata các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2‾.