Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu TiO2 (Titanium dioxide) thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng khoa học do tính ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như pin mặt trời, chất màu nhạy sáng, tự làm sạch và sản xuất hydro từ nước. Với độ rộng vùng cấm khoảng 3.3 eV, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, chiếm khoảng 3-5% năng lượng ánh sáng mặt trời, gây hạn chế hiệu suất quang xúc tác. Do đó, nghiên cứu tập trung vào hai hướng chính: biến tính vật liệu để thu hẹp khe năng lượng và tăng diện tích bề mặt bằng cách chế tạo vật liệu cấu trúc nano, đặc biệt là ống nano TiO2.

Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật gây bệnh phát triển, trong đó vi khuẩn Escherichia coli (E.coli) là chỉ thị quan trọng cho mức độ ô nhiễm nguồn nước. Việc loại bỏ vi khuẩn này là cấp thiết nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Phương pháp khử trùng bằng vật liệu TiO2 thương mại kết hợp đèn UV đã được ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu quả diệt khuẩn cao, không độc hại và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là TiO2 chỉ hoạt động dưới ánh sáng UV bước sóng ngắn, tiêu hao năng lượng và yêu cầu kỹ thuật cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, nhằm tăng diện tích bề mặt và hiệu suất xúc tác dưới ánh sáng đèn UVA thương mại. Mục tiêu cụ thể gồm: chế tạo thành công ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn, khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất quang xúc tác, đánh giá khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene và diệt khuẩn E.coli. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2015-2018 tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, với ý nghĩa nâng cao hiệu quả xử lý nước ô nhiễm và ứng dụng trong y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Tính chất quang xúc tác của TiO2: TiO2 là vật liệu bán dẫn với vùng cấm rộng (anatase ~3.2 eV, rutile ~3.0 eV). Khi được kích thích bởi photon có năng lượng ≥ vùng cấm, electron từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn, tạo ra các lỗ trống và electron tự do. Các lỗ trống và electron này tham gia vào phản ứng oxy hóa-khử, sinh ra các gốc hydroxyl (OH·), superoxide (O2·-) và hydrogen peroxide (H2O2), có khả năng phân hủy các chất hữu cơ và diệt khuẩn.

  • Cơ chế diệt khuẩn của TiO2: Các gốc oxy hóa tấn công màng tế bào vi khuẩn, phá hủy cấu trúc phospholipid, làm đứt gãy chuỗi DNA, gây tổn thương không thể phục hồi và dẫn đến chết tế bào. Quá trình này được minh chứng qua sự rò rỉ ion K+, protein và ARN từ tế bào bị phá hủy, cũng như sự phân hủy endotoxin từ màng ngoài vi khuẩn Gram âm như E.coli.

  • Mô hình cấu trúc ống nano TiO2: Ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn hơn so với dạng hạt, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác. Phương pháp thủy nhiệt tạo ra cấu trúc ống anatase với kích thước đường kính trong khoảng 5 nm, đường kính ngoài khoảng 8 nm và chiều dài khoảng 100 nm, tối ưu cho ứng dụng quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu TiO2 thương mại P25 được sử dụng làm tiền chất. Vật liệu ống nano TiO2 (ký hiệu TNT) được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với dung dịch NaOH 10 M, nhiệt độ 130°C trong 13 giờ, sau đó xử lý axit HCl và nung ở 500°C (ký hiệu TNT-500).

  • Phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và cấu trúc mạng.
    • Phổ tán xạ Raman để khảo sát các mode dao động phân tử.
    • Hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái học và kích thước ống nano.
    • Đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp Brunauer-Emmet-Teller (BET).
    • Phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác.

  • Nghiên cứu khả năng quang xúc tác và diệt khuẩn:

    • Đánh giá phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene (MB) 10 ppm dưới chiếu xạ đèn UVA 8W, đo nồng độ MB theo thời gian bằng phổ UV-Vis.
    • Tạo màng TNT-500 trên đế ITO bằng kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD) để tăng diện tích tiếp xúc.
    • Thử nghiệm diệt khuẩn E.coli trong điều kiện chiếu sáng đèn UVA, đánh giá hiệu quả diệt khuẩn qua giảm số lượng vi khuẩn.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu vật liệu được chế tạo và khảo sát trong phòng thí nghiệm từ 2015 đến 2018. Phân tích dữ liệu thực nghiệm được thực hiện với nhiều lần lặp lại để đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu:

    • XRD xác định vật liệu TNT-500 chủ yếu ở pha anatase với các đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ tương ứng.
    • Phổ Raman cho thấy các mode dao động đặc trưng của anatase, khẳng định cấu trúc tinh thể ổn định sau nung.
    • Diện tích bề mặt riêng của TNT-500 đạt khoảng 150 m²/g, cao hơn đáng kể so với TiO2 thương mại P25 (~50 m²/g), góp phần tăng hiệu quả xúc tác.

  2. Hình thái học:

    • SEM và TEM cho thấy vật liệu TNT-500 có cấu trúc ống nano đồng đều, đường kính trong khoảng 5-8 nm, chiều dài khoảng 100 nm.
    • Màng TNT-500 trên đế ITO có độ dày đồng đều, bề mặt nhẵn, phù hợp cho ứng dụng quang xúc tác diệt khuẩn.

  3. Khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene (MB):

    • Sau 180 phút chiếu xạ đèn UVA, nồng độ MB giảm khoảng 85% với vật liệu TNT-500, trong khi mẫu không có vật liệu chỉ giảm khoảng 10%.
    • Hiệu suất phân hủy MB của TNT-500 cao hơn 7,5 lần so với mẫu không xúc tác, chứng tỏ khả năng quang xúc tác vượt trội.

  4. Khả năng diệt khuẩn E.coli:

    • Màng TNT-500 dưới chiếu sáng đèn UVA diệt hơn 99% vi khuẩn E.coli sau 120 phút tiếp xúc.
    • So với vật liệu TiO2 thương mại, TNT-500 thể hiện hiệu quả diệt khuẩn cao hơn khoảng 30%, nhờ diện tích bề mặt lớn và cấu trúc ống nano giúp tăng tiếp xúc với vi khuẩn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp thủy nhiệt tạo vật liệu ống nano TiO2 anatase thành công, với diện tích bề mặt riêng tăng gấp 3 lần so với TiO2 thương mại, góp phần nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Cấu trúc ống nano giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân tách electron-lỗ trống, giảm quá trình tái kết hợp, từ đó tăng hiệu quả phân hủy chất hữu cơ và diệt khuẩn.

Hiệu quả diệt khuẩn cao của màng TNT-500 dưới ánh sáng đèn UVA phù hợp với cơ chế sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như OH·, O2·- và H2O2, tấn công màng tế bào vi khuẩn, làm rò rỉ các thành phần nội bào và phá hủy cấu trúc tế bào. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về cơ chế diệt khuẩn của TiO2 quang xúc tác.

Việc sử dụng đèn UVA thương mại thay vì đèn UV bước sóng ngắn giúp giảm chi phí và yêu cầu kỹ thuật, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong xử lý nước và y sinh. Màng TNT-500 gắn trên đế ITO giúp khắc phục nhược điểm của vật liệu dạng huyền phù, dễ dàng tái sử dụng và ổn định trong quá trình vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm nồng độ MB theo thời gian, biểu đồ hiệu suất diệt khuẩn E.coli, cùng bảng so sánh diện tích bề mặt và đặc trưng cấu trúc của các mẫu vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi màng ống nano TiO2 trong xử lý nước: Khuyến khích các cơ sở xử lý nước thải và nước sinh hoạt áp dụng màng TNT-500 kết hợp đèn UVA để nâng cao hiệu quả diệt khuẩn, giảm thiểu ô nhiễm vi sinh vật. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm, do các thiết bị và vật liệu đã có sẵn.

  2. Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu ống nano TiO2 quy mô công nghiệp: Đề xuất đầu tư nghiên cứu mở rộng quy mô phương pháp thủy nhiệt, tối ưu hóa quy trình để sản xuất vật liệu với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng đồng đều. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu trong vòng 3 năm.

  3. Nâng cao hiệu quả quang xúc tác bằng biến tính vật liệu: Khuyến nghị nghiên cứu phối hợp tạp chất kim loại hoặc phi kim để thu hẹp vùng cấm, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, mở rộng ứng dụng dưới ánh sáng tự nhiên. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu đảm nhận.

  4. Phát triển thiết bị chiếu sáng UVA tiết kiệm năng lượng: Đề xuất thiết kế và sản xuất đèn UVA công suất thấp, tuổi thọ cao, phù hợp với vật liệu ống nano TiO2, giảm chi phí vận hành cho các hệ thống xử lý nước. Chủ thể thực hiện là các công ty công nghệ chiếu sáng trong 1-2 năm.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật chế tạo và ứng dụng vật liệu ống nano TiO2 cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, thúc đẩy ứng dụng thực tiễn. Thời gian triển khai liên tục, phối hợp giữa trường đại học và các đơn vị sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học, Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu ống nano TiO2, phương pháp chế tạo thủy nhiệt và kỹ thuật phân tích cấu trúc, giúp phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực quang xúc tác và vật liệu nano.

  2. Chuyên gia và kỹ sư trong lĩnh vực xử lý nước và môi trường: Thông tin về khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 dưới ánh sáng UVA hỗ trợ thiết kế hệ thống xử lý nước hiệu quả, thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị y sinh: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm vật liệu diệt khuẩn, màng lọc nước, khẩu trang diệt khuẩn, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về môi trường và y tế công cộng: Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá và đề xuất các giải pháp công nghệ xử lý nước an toàn, giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm vi sinh vật gây bệnh, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu ống nano TiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 dạng hạt?
    Vật liệu ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn hơn gấp 3 lần, cấu trúc trật tự giúp tăng hiệu quả phân tách electron-lỗ trống, giảm tái kết hợp, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác và khả năng diệt khuẩn so với TiO2 dạng hạt.

  2. Phương pháp thủy nhiệt chế tạo ống nano TiO2 có những ưu nhược điểm gì?
    Ưu điểm là có thể tổng hợp vật liệu với cấu trúc đa dạng, thời gian tạo mẫu nhanh, dễ kiểm soát thành phần và quy mô lớn. Nhược điểm là yêu cầu thiết bị chịu nhiệt và áp suất cao, kỹ thuật phức tạp hơn so với một số phương pháp khác.

  3. Tại sao sử dụng đèn UVA thay vì đèn UV bước sóng ngắn trong nghiên cứu?
    Đèn UVA có bước sóng dài hơn, an toàn hơn, chi phí thấp và dễ sử dụng hơn. Vật liệu ống nano TiO2 được thiết kế để hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UVA, giúp giảm tiêu hao năng lượng và mở rộng ứng dụng thực tế.

  4. Làm thế nào để màng ống nano TiO2 gắn trên đế ITO giúp cải thiện hiệu quả diệt khuẩn?
    Màng gắn cố định trên đế ITO tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu và vi khuẩn, dễ dàng tái sử dụng, tránh mất mát vật liệu như trong dạng huyền phù, đồng thời đảm bảo tính ổn định và hiệu quả quang xúc tác trong quá trình vận hành.

  5. Khả năng ứng dụng của vật liệu này trong thực tế như thế nào?
    Vật liệu có thể ứng dụng trong xử lý nước sinh hoạt, nước thải, thiết bị diệt khuẩn y tế, màng lọc nước và các hệ thống tự làm sạch bề mặt. Việc sử dụng đèn UVA thương mại giúp giảm chi phí và đơn giản hóa thiết bị, phù hợp với điều kiện thực tế tại nhiều địa phương.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu ống nano TiO2 pha anatase bằng phương pháp thủy nhiệt với diện tích bề mặt riêng khoảng 150 m²/g, tăng gấp 3 lần so với TiO2 thương mại.
  • Vật liệu TNT-500 thể hiện khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene đạt hiệu suất 85% sau 180 phút chiếu xạ đèn UVA.
  • Màng TNT-500 gắn trên đế ITO diệt hơn 99% vi khuẩn E.coli sau 120 phút tiếp xúc dưới ánh sáng đèn UVA, hiệu quả vượt trội so với vật liệu TiO2 thương mại.
  • Nghiên cứu khẳng định cơ chế diệt khuẩn dựa trên sự sinh ra các gốc oxy hóa mạnh tấn công màng tế bào vi khuẩn, phù hợp với các kết quả quốc tế.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý nước và y sinh, phát triển công nghệ chế tạo quy mô công nghiệp và thiết bị chiếu sáng tiết kiệm năng lượng.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu biến tính vật liệu để mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, đồng thời phát triển thiết bị ứng dụng thực tế. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để chuyển giao công nghệ và ứng dụng rộng rãi. Hãy liên hệ để nhận tư vấn kỹ thuật và hợp tác nghiên cứu phát triển sản phẩm mới.