I. Vật Liệu Titanium Oxy Nitride Ti O N Tổng Quan Nghiên Cứu
Vấn đề khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường thúc đẩy tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời nổi bật với tiềm năng lớn, đặc biệt tại Việt Nam. Các nhà khoa học đang nghiên cứu vật liệu tăng hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt, trong đó có Plasmonics. Vật liệu plasmonic truyền thống như Au, Ag có hiệu quả, nhưng đắt đỏ và điểm nóng chảy thấp. Transition metal nitrides, đặc biệt là Titanium Nitride (TiN), nổi lên như vật liệu thay thế tiềm năng với tính chất plasmonic tốt, độ bền cao, giá thành hợp lý. TiN, cùng với Titanium Oxynitride (TiON), gọi chung là Ti(O)N, hứa hẹn khả năng sinh nhiệt tốt, mở ra hướng ứng dụng trong phơi sấy nông sản. Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của Ti(O)N, định hướng ứng dụng thiết thực.
1.1. Titanium Oxide TiO2 Tính Chất và Ứng Dụng
Titanium Dioxide (TiO2), hay Titanium Oxide, là oxit kim loại bán dẫn, vật liệu hữu ích trong nhiều ứng dụng. TiO2 được sử dụng làm vật liệu quang xúc tác, trong xử lý môi trường, chế tạo thiết bị điện tử, cảm biến, ứng dụng y học, diệt khuẩn, và làm chất tạo màu cho sơn, men gốm. TiO2 tồn tại trong tự nhiên ở 3 pha: rutile, anatase và brookite, với rutile và anatase phổ biến hơn. Các pha này có chỉ số khúc xạ cao, độ ổn định hóa học và nhiệt cao. TiO2 bền hóa học, không phản ứng với nước, dung dịch axit vô cơ loãng, kiềm, amoni, axit hữu cơ. Tuy nhiên, nó tan chậm trong kiềm nóng chảy và tác dụng với HF hoặc kali sunfat nóng chảy.
1.2. Titanium Nitride TiN Đặc Tính và Tiềm Năng
Titanium Nitride (TiN) là hợp chất của titan và nitơ, vật liệu gốm cực kỳ cứng. TiN có màu nâu vàng ở dạng khối, chuyển màu đen khi ở cấu trúc nano. Cấu trúc tinh thể của TiN thuộc khối lập phương tâm mặt. TiN oxy hóa chậm (bắt đầu ở 800°C), điện trở suất nhỏ, độ phản xạ cao trong vùng hồng ngoại. TiN có độ cứng cao, độ bền nhiệt, độ bền ăn mòn và nhiệt nóng chảy cao. Do đó, TiN là vật liệu thay thế hiệu quả cho Wolfram Carbide (WC). TiN hấp thụ mạnh trong dải bước sóng ánh sáng nhìn thấy (400 - 900 nm), có vùng cấm khoảng 3.4eV.
1.3. Tổng Quan Về Các Phương Pháp Chế Tạo TiN Nano
Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2. Bao gồm phương pháp vật lý (PVD - Physical vapor deposition), phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD - Chemical vapor deposition) và nhiều phương pháp kết hợp giữa vật lý, hóa học khác. Phương pháp vật lý thường cho kết quả chế tạo màng vật liệu chất lượng cao, tuy nhiên để ứng dụng trong sản xuất trong công nghiệp thì không khả thi do giá thành cao, thiết bị phức tạp. Phương pháp lắng đọng hóa học là phương pháp bottom up, tổng hợp từ các phân tử để tạo nên vật liệu có kích thước mong muốn. Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị đơn giản, không tiêu tốn năng lượng nhiều như các phương pháp vật lý.
II. Thách Thức và Giải Pháp Ứng Dụng Ti O N Cho Phơi Sấy
Ứng dụng năng lượng mặt trời trong phơi sấy nông sản là một giải pháp bền vững. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp truyền thống còn hạn chế. Việc sử dụng vật liệu hấp thụ sinh nhiệt như Ti(O)N có thể cải thiện đáng kể quá trình này. Thách thức nằm ở việc tối ưu hóa quy trình chế tạo Ti(O)N, đảm bảo tính chất plasmonic tốt nhất, khả năng hấp thụ ánh sáng cao, và độ bền nhiệt, hóa học ổn định. Nghiên cứu này hướng đến việc giải quyết các thách thức này thông qua việc điều chỉnh các thông số trong quá trình tổng hợp, khảo sát kỹ lưỡng đặc tính của vật liệu, và thử nghiệm hiệu quả của Ti(O)N trong mô hình phơi sấy thực tế.
2.1. Tình Hình Phơi Sấy Truyền Thống và Năng Lượng Mặt Trời
Phơi sấy là phương pháp bảo quản nông sản quan trọng. Phơi sấy truyền thống phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, tốn nhiều thời gian, và dễ bị ảnh hưởng bởi côn trùng, bụi bẩn. Sử dụng năng lượng mặt trời giúp khắc phục nhược điểm này, nhưng hiệu quả còn phụ thuộc vào vật liệu và thiết kế. Các vật liệu truyền thống (đồng, thép, nhôm, cacbon) cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp. Do đó, cần tìm kiếm vật liệu mới có khả năng hấp thụ và chuyển đổi năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.
2.2. Ưu Điểm Vật Liệu Nano và Ứng Dụng Trong Phơi Sấy
Vật liệu nano có nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước lượng tử. Trong lĩnh vực phơi sấy, vật liệu nano có thể được ứng dụng để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, cải thiện hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt, giảm thời gian phơi sấy, và nâng cao chất lượng nông sản. Các kim loại plasmonic như Au, Ag, và TiN, đang được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này.
2.3. Tổng Quan Về Thiết Bị Và Dụng Cụ Thí Nghiệm
Để thực hiện các thí nghiệm trong đề tài, các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm cơ bản như sau: Hệ CVD Đại học Quy Nhơn; Hệ Spin coating; Máy khuấy từ; Lò nung; Hệ đèn chiếu Xe và hộp đựng mẫu, Máy đo photon, Thiết bị đo nhiệt độ, Nhiệt kế,; Thiết bị đo nhiệt độvà độ ẩm bên trong, bên ngoài. Các dụng cụ thí nghiệm cũng được chuẩn bị và kiểm tra để đảm bảo độ chính xác trong quá trình thực hiện.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Ti O N và Khảo Sát Tính Chất Vật Liệu
Nghiên cứu sử dụng phương pháp CVD để tổng hợp màng Ti(O)N trên đế kính và đế nhôm. Quy trình tổng hợp bao gồm các bước: chuẩn bị đế, phủ lớp tiền chất, nung ở nhiệt độ cao trong môi trường NH3. Sau khi tổng hợp, vật liệu được khảo sát bằng các phương pháp: SEM (đánh giá hình thái bề mặt), XRD (xác định cấu trúc tinh thể), UV-Vis (đo độ hấp thụ ánh sáng). Kết quả khảo sát giúp đánh giá chất lượng vật liệu, xác định các thông số tối ưu cho quá trình tổng hợp, và đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng của Ti(O)N.
3.1. Quy Trình Tổng Hợp TiN Chi Tiết CVD
Quy trình tổng hợp TiN bao gồm: chuẩn bị đế kính và đế nhôm bằng cách làm sạch. Pha dung dịch PVP và DMF. Sau đó, thực hiện quay phủ mẫu bằng máy Spin coating. Thực hiện nung mẫu trong lò ở nhiệt độ cao. Quá trình nung này giúp chuyển đổi lớp tiền chất thành màng TiN. Các thông số như nhiệt độ nung, thời gian nung, và tốc độ dòng khí NH3 được điều chỉnh để tối ưu hóa chất lượng màng TiN.
3.2. Phương Pháp Khảo Sát Khả Năng Hấp Thụ Sinh Nhiệt
Khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu TiN được khảo sát bằng cách chiếu sáng mẫu bằng đèn halogen. Nhiệt độ bề mặt mẫu được đo bằng nhiệt kế hồng ngoại. So sánh khả năng hấp thụ nhiệt của TiN với vật liệu tham chiếu (sơn đen) giúp đánh giá hiệu quả của TiN. Các yếu tố như cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng, và loại đế cũng được kiểm soát để đảm bảo tính chính xác của kết quả.
3.3. Các Phương Pháp Phân Tích Vật Liệu SEM XRD UV Vis
SEM (Scanning Electron Microscopy) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt của màng TiN. XRD (X-ray Diffraction) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của TiN. UV-Vis (Ultraviolet-Visible Spectroscopy) được sử dụng để đo độ hấp thụ ánh sáng của TiN trong vùng tử ngoại, khả kiến, và hồng ngoại gần. Các phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc, thành phần, và tính chất quang học của vật liệu.
IV. Kết Quả và Thảo Luận Đánh Giá Tiềm Năng Ứng Dụng
Kết quả tổng hợp vật liệu Ti(O)N cho thấy màng vật liệu có cấu trúc nano, độ đồng đều cao, và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến. Khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt cho thấy Ti(O)N có hiệu quả cao hơn so với sơn đen. Xây dựng và khảo sát mô hình nhà kính phơi nông sản sử dụng Ti(O)N cho thấy nhiệt độ bên trong nhà kính cao hơn so với nhà kính thông thường, rút ngắn thời gian phơi sấy. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của Ti(O)N trong lĩnh vực phơi sấy nông sản.
4.1. Đánh Giá Kết Quả Tổng Hợp Vật Liệu TiN
Ảnh SEM cho thấy màng TiN có cấu trúc nano, độ đồng đều cao, và độ bám dính tốt trên đế. Phổ XRD xác nhận sự hình thành của pha TiN. Phổ UV-Vis cho thấy TiN có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến, phù hợp cho ứng dụng phơi sấy nông sản. Các thông số như nhiệt độ nung, thời gian nung, và tốc độ dòng khí NH3 ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của màng TiN.
4.2. So Sánh Khả Năng Hấp Thụ Sinh Nhiệt TiN và Sơn Đen
Kết quả khảo sát cho thấy TiN có khả năng hấp thụ nhiệt cao hơn so với sơn đen. Khi chiếu sáng bằng đèn halogen, nhiệt độ bề mặt của mẫu TiN tăng nhanh hơn và đạt giá trị cao hơn so với mẫu sơn đen. Điều này chứng tỏ TiN có hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt tốt hơn sơn đen, hứa hẹn khả năng rút ngắn thời gian phơi sấy và tiết kiệm năng lượng.
4.3. Ứng Dụng Ti O N trong Nhà Kính Phơi Nông Sản
Mô hình nhà kính phơi nông sản sử dụng Ti(O)N được xây dựng và khảo sát. Kết quả cho thấy nhiệt độ bên trong nhà kính sử dụng Ti(O)N cao hơn so với nhà kính thông thường. Ớt sau khi phơi trong nhà kính sử dụng Ti(O)N có chất lượng tốt hơn và thời gian phơi sấy ngắn hơn so với phơi ngoài trời. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của Ti(O)N trong việc cải thiện hiệu quả phơi sấy nông sản.
V. Kết Luận và Kiến Nghị Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tiếp Theo
Nghiên cứu đã chế tạo thành công màng vật liệu Ti(O)N bằng phương pháp CVD và khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt. Kết quả cho thấy Ti(O)N có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực phơi sấy nông sản. Cần tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác (độ ẩm, tốc độ gió) đến hiệu quả phơi sấy, và thử nghiệm trên nhiều loại nông sản khác nhau. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong việc ứng dụng vật liệu nano vào lĩnh vực nông nghiệp.
5.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Chính của Nghiên Cứu
Nghiên cứu đã chế tạo thành công màng Ti(O)N bằng phương pháp CVD. Màng Ti(O)N có cấu trúc nano, độ đồng đều cao, và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng khả kiến. Ti(O)N có khả năng hấp thụ sinh nhiệt cao hơn so với sơn đen. Mô hình nhà kính phơi nông sản sử dụng Ti(O)N cho thấy hiệu quả phơi sấy cao hơn so với nhà kính thông thường.
5.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng và Ứng Dụng Thực Tế
Nghiên cứu có thể được mở rộng bằng cách: tối ưu hóa quy trình tổng hợp Ti(O)N để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng; khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm và tốc độ gió đến hiệu quả phơi sấy; thử nghiệm trên nhiều loại nông sản khác nhau; và phát triển hệ thống phơi sấy thông minh sử dụng Ti(O)N và các cảm biến để điều khiển quá trình phơi sấy một cách tự động.
