Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo, sạch và bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với hơn 2.500 giờ nắng mỗi năm và lượng bức xạ trung bình khoảng 230-250 kcal/cm², đặc biệt tại khu vực miền Trung. Năng lượng mặt trời không chỉ được ứng dụng trong sản xuất điện mà còn mở rộng sang các lĩnh vực như xúc tác, cảm biến, nông nghiệp và y sinh. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời sang nhiệt năng còn hạn chế do vật liệu truyền thống như đồng, thép, nhôm có hiệu suất thấp.

Trong những năm gần đây, vật liệu plasmonic kích thước nano như vàng (Au), bạc (Ag) được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng hấp thụ và chuyển hóa ánh sáng mặt trời hiệu quả. Tuy nhiên, chi phí cao và tính bền nhiệt thấp của các kim loại quý này là hạn chế lớn. Do đó, vật liệu titanium nitride (TiN) và titanium oxy-nitride (Ti(O)N) được xem là giải pháp thay thế tiềm năng nhờ tính plasmonic tốt, độ bền nhiệt cao, độ cứng lớn, tính trơ hóa học và chi phí thấp hơn nhiều.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo và khảo sát khả năng hấp thụ sinh nhiệt của vật liệu Ti(O)N nhằm ứng dụng trong phơi sấy nông sản, một lĩnh vực cần giải pháp tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường. Mục tiêu chính là tổng hợp thành công màng vật liệu TiN bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) trong môi trường khí NH3, khảo sát đặc trưng vật liệu qua các kỹ thuật SEM, XRD, UV-Vis và đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt dưới ánh sáng khả kiến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu TiN tổng hợp tại Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu plasmonic mới, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong công nghệ phơi sấy nông sản, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực vật lý chất rắn và công nghiệp chế biến nông sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết plasmonic và cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Mô tả hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron tự do trên bề mặt kim loại khi tương tác với ánh sáng, tạo ra hiệu ứng tăng cường hấp thụ và chuyển đổi quang nhiệt hiệu quả. Hiệu ứng này đặc biệt rõ ở các hạt nano kim loại, gọi là Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR).

  • Mô hình cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của TiN và TiO2: TiN có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt với hằng số mạng A = 0,4241 nm, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy ~2950°C, và khả năng hấp thụ ánh sáng trong dải 400-900 nm. TiO2 tồn tại ở các pha rutile, anatase và brookite với tính chất quang xúc tác và ổn định hóa học cao.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu nano bằng lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Phương pháp bottom-up sử dụng phản ứng hóa học trong môi trường khí NH3 để nitơ hóa TiO2 thành TiN hoặc Ti(O)N, cho phép kiểm soát kích thước hạt và pha vật liệu.

  • Phương pháp khảo sát vật liệu nano: Sử dụng các kỹ thuật phân tích cấu trúc và đặc trưng vật liệu như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và kích thước hạt, phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần hóa học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát vật liệu TiN tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn, kết hợp với tài liệu tham khảo khoa học trong và ngoài nước.

  • Phương pháp tổng hợp: TiO2 thương mại được nitơ hóa trong lò ống (Tube Furnace) bằng khí NH3 với lưu lượng 200 sccm, nhiệt độ nitơ hóa từ 700°C đến 900°C trong 1 giờ để tạo màng TiN hoặc Ti(O)N.

  • Phương pháp khảo sát: Màng vật liệu được phủ lên đế kính và đế nhôm bằng kỹ thuật quay phủ ly tâm (Spin coating) với tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây và 2000 vòng/phút trong 120 giây. Các mẫu sau đó được phân tích bằng SEM, XRD, UV-Vis để xác định cấu trúc, pha và phổ hấp thụ.

  • Khảo sát hiệu suất quang nhiệt: Sử dụng hệ đèn chiếu Xe chiếu sáng mẫu trong 1 giờ, đo nhiệt độ bề mặt mẫu trước và sau chiếu sáng bằng thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm. So sánh khả năng sinh nhiệt của TiN tổng hợp với TiN thương mại và sơn đen.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu vật liệu TiN được tổng hợp và khảo sát trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2023, với nhiều lần thí nghiệm lặp lại để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công màng TiN: Màng TiN được tổng hợp bằng phương pháp CVD ở nhiệt độ 900°C cho kết quả tốt về cấu trúc và kích thước hạt. Phổ XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng tại 2θ = 36,97°, 42,92°, 62,37°, tương ứng với các mặt mạng (111), (200), (220) của TiN, khẳng định sự hình thành pha TiN tinh khiết.

  2. Khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến: Phổ UV-Vis của màng TiN tổng hợp cho thấy dải hấp thụ rộng trong vùng 400-900 nm với độ hấp thụ cao hơn 0,9, vượt trội so với TiO2 thương mại có đỉnh hấp thụ ở 354 nm với độ hấp thụ 0,86. Điều này chứng tỏ TiN có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn, phù hợp cho ứng dụng chuyển đổi quang nhiệt.

  3. Hiệu suất sinh nhiệt vượt trội: Sau 1 giờ chiếu sáng bằng đèn Xe, nhiệt độ bề mặt màng TiN tổng hợp tăng từ khoảng 25°C lên 65°C, cao hơn 15% so với TiN thương mại và gấp đôi so với đế nhôm không phủ vật liệu. So sánh với sơn đen, TiN cũng cho hiệu suất sinh nhiệt tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ vật liệu TiN có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng hiệu quả.

  4. Ứng dụng trong nhà kính phơi sấy nông sản: Mô hình nhà kính sử dụng màng TiN phủ trên bề mặt kim loại giúp tăng nhiệt độ bên trong buồng sấy lên trung bình 10-15°C so với nhà kính truyền thống, rút ngắn thời gian phơi sấy và giữ được chất lượng nông sản như ớt, tỏi, đảm bảo màu sắc và hương vị.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu TiN tổng hợp bằng phương pháp CVD có cấu trúc tinh thể ổn định, kích thước hạt nano phù hợp để tạo hiệu ứng plasmonic mạnh mẽ, từ đó nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi quang nhiệt. So với TiO2 truyền thống, TiN thể hiện ưu thế vượt trội nhờ dải hấp thụ rộng hơn và hiệu suất sinh nhiệt cao hơn.

Hiệu quả sinh nhiệt của TiN tương đương hoặc vượt trội so với sơn đen truyền thống cho thấy tiềm năng ứng dụng trong công nghệ phơi sấy nông sản, giúp giảm thời gian sấy và tiết kiệm năng lượng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu plasmonic thay thế vàng và bạc, đồng thời khẳng định tính bền nhiệt và hóa học của TiN trong điều kiện sử dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh nhiệt độ bề mặt mẫu trước và sau chiếu sáng, biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện độ hấp thụ ánh sáng, và hình ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt vật liệu. Bảng tổng hợp các thông số vật lý và hóa học của TiN cũng giúp làm rõ đặc tính vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình tổng hợp TiN quy mô công nghiệp: Tối ưu hóa điều kiện nitơ hóa (nhiệt độ, thời gian, lưu lượng khí NH3) để nâng cao chất lượng màng TiN, giảm chi phí sản xuất và tăng tính ổn định sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu trong vòng 2 năm.

  2. Ứng dụng vật liệu TiN trong thiết bị phơi sấy nông sản: Thiết kế và sản xuất các tấm phủ TiN cho nhà kính và buồng sấy nhằm tăng hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời, rút ngắn thời gian sấy và nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp chế tạo thiết bị nông nghiệp, hợp tác với các viện nghiên cứu, trong 1-3 năm.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng TiN trong các lĩnh vực khác: Khai thác tính chất plasmonic và bền nhiệt của TiN trong cảm biến quang học, xúc tác quang, và linh kiện điện tử. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu đại học và viện khoa học, trong 3-5 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ nano và vật liệu plasmonic: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật, nhà quản lý và doanh nghiệp nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong sản xuất và kinh doanh. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp tổng hợp vật liệu TiN, giúp mở rộng nghiên cứu về vật liệu plasmonic và ứng dụng trong chuyển đổi năng lượng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị phơi sấy nông sản: Tham khảo để ứng dụng vật liệu TiN trong thiết kế nhà kính, buồng sấy nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí năng lượng.

  3. Chuyên gia công nghệ nano và vật liệu plasmonic: Tài liệu chi tiết về đặc tính vật liệu nano TiN, phương pháp khảo sát và ứng dụng thực tế, hỗ trợ phát triển các sản phẩm công nghệ cao.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý, Hóa học, Kỹ thuật vật liệu: Cung cấp kiến thức nền tảng và thực tiễn về tổng hợp, phân tích và ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và công nghiệp chế biến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiN có ưu điểm gì so với các vật liệu plasmonic truyền thống?
    TiN có độ bền nhiệt cao (~2950°C), độ cứng lớn, tính trơ hóa học và chi phí thấp hơn nhiều so với vàng và bạc, đồng thời có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần hiệu quả.

  2. Phương pháp CVD được sử dụng trong nghiên cứu có ưu điểm gì?
    CVD cho phép tổng hợp màng vật liệu đồng nhất, kiểm soát kích thước hạt và pha vật liệu tốt, thiết bị đơn giản, chi phí thấp hơn so với các phương pháp vật lý như phún xạ hay lắng đọng xung laser.

  3. Hiệu suất sinh nhiệt của TiN được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được đánh giá qua sự tăng nhiệt độ bề mặt mẫu dưới ánh sáng khả kiến trong 1 giờ, với màng TiN tổng hợp tăng nhiệt độ lên đến 65°C, cao hơn 15% so với TiN thương mại và gấp đôi so với vật liệu không phủ.

  4. Ứng dụng của vật liệu TiN trong phơi sấy nông sản có lợi ích gì?
    TiN giúp tăng nhiệt độ trong buồng sấy, rút ngắn thời gian phơi sấy, giữ nguyên màu sắc và hương vị sản phẩm, giảm chi phí năng lượng và hạn chế tác động nhiệt độ cao lên chất lượng nông sản.

  5. Có thể mở rộng ứng dụng của TiN trong lĩnh vực nào khác?
    Ngoài phơi sấy, TiN có thể ứng dụng trong cảm biến quang học, xúc tác quang, linh kiện điện tử, và các thiết bị vi điện tử nhờ tính plasmonic và bền nhiệt vượt trội.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công màng vật liệu TiN bằng phương pháp CVD trong môi trường khí NH3 với cấu trúc tinh thể ổn định và kích thước hạt nano phù hợp.
  • Màng TiN thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến rộng và hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao, vượt trội so với TiO2 và vật liệu truyền thống.
  • Hiệu quả sinh nhiệt của TiN hỗ trợ ứng dụng trong công nghệ phơi sấy nông sản, giúp nâng cao chất lượng và giảm thời gian sấy.
  • Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp quy mô công nghiệp và ứng dụng rộng rãi trong thiết bị phơi sấy, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.
  • Khuyến khích đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ nano và vật liệu plasmonic để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn và phát triển bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các vùng nông nghiệp và phát triển sản phẩm thương mại. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và chuyên gia công nghệ cùng hợp tác để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu TiN trong tương lai.