Nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu màng TiO2 pha tạp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu màng tio2 pha tạp, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh

• Tác giả: Hoàng Thị Kim Dung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Hải
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu màng TiO2 pha tạp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về tinh thể TiO2
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2
• 1.3. Sự chuyển pha của tinh thể TiO2
• 1.4. Giản đồ năng lượng của tinh thể TiO2
• 1.5. Một số tính chất cuả tinh thể TiO2
• 1.5.1. Tính chất điện
• 1.5.2. Tính chất quang xúc tác của TiO2
• 1.5.3. Tính chất của TiO2 pha tạp
• 1.6. Một số ứng dụng của TiO2
• 1.7. Lớp sơn phủ siêu thấm ướt và vật liệu tự làm sạch
• 1.8. Sản xuất nhiên liệu hiđrô
• 1.9. Phương pháp chế tạo màng
• 1.9.1. Một số phương pháp chế tạo màng
• 1.9.2. Phương pháp sol–gel
• 1.10. Khảo sát tính chất của màng
• 1.10.1. Khảo sát cấu trúc màng mỏng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.10.2. Khảo sát bề mặt màng mỏng bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 1.10.3. Đo phổ hấp thụ UV-vis
• 1.10.4. Đo quang điện hóa bằng hệ Autolab
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Các thiết bị chế tạo mẫu
• 2.2. Công nghệ chế tạo màng TiO2, TiO2 :V
• 2.3. Đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4. Phép chụp ảnh SEM
• 2.5. Phép đo hấp thụ
• 2.6. Phép đo quang điện hóa
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X
• 3.2. Ảnh SEM của màng TiO2 và TiO2 : V
• 3.3. Phổ tán sắc năng lượng EDX
• 3.4. Phổ hấp thụ UV-vis
• 3.5. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO2 và TiO2 pha tạp thông qua đo quang điện hóa
• 3.5.1. Bản chất của quá trình quang xúc tác
• 3.5.2. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo thời gian
• 3.5.3. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo loại ánh sáng
• 3.5.4. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo công suất chiếu sáng
• 3.5.5. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo pha tạp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp

Khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. TiO2, một chất bán dẫn phổ biến, được biết đến với khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Tuy nhiên, TiO2 tinh khiết chỉ có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, chiếm khoảng 5% ánh sáng mặt trời. Do đó, việc pha tạp TiO2 với các chất khác để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Tính chất quang xúc tác của TiO2 và vai trò của pha tạp

TiO2 có hai dạng chính là anatase và rutile, trong đó anatase thể hiện tính quang xúc tác cao hơn. Việc pha tạp các nguyên tố như V, N, hay S vào TiO2 có thể làm giảm độ rộng vùng cấm, từ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Các nghiên cứu cho thấy rằng TiO2 pha tạp có thể tạo ra nhiều gốc tự do hơn, giúp tăng cường khả năng oxy hóa và khử các hợp chất độc hại trong môi trường.

1.2. Ứng dụng của màng TiO2 pha tạp trong xử lý ô nhiễm

Màng TiO2 pha tạp được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải và không khí ô nhiễm. Nhờ vào khả năng quang xúc tác, TiO2 có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng TiO2 pha tạp có thể cải thiện hiệu suất xử lý ô nhiễm gấp nhiều lần so với TiO2 tinh khiết.

II. Thách thức trong nghiên cứu khả năng quang xúc tác của TiO2 pha tạp

Mặc dù TiO2 pha tạp có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc xác định cơ chế quang xúc tác của TiO2 pha tạp. Nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đo lường hiệu suất mà không đi sâu vào cơ chế hoạt động. Điều này dẫn đến việc khó khăn trong việc tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm và ứng dụng thực tiễn.

2.1. Khó khăn trong việc xác định cơ chế quang xúc tác

Việc xác định cơ chế quang xúc tác của TiO2 pha tạp là một thách thức lớn. Nhiều nghiên cứu chỉ tập trung vào việc đo lường hiệu suất mà không làm rõ được các quá trình xảy ra trong quá trình quang xúc tác. Điều này gây khó khăn trong việc phát triển các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu suất quang xúc tác

Hiệu suất quang xúc tác của TiO2 pha tạp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ, và cường độ ánh sáng. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi trong các điều kiện này có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng quang xúc tác của TiO2. Do đó, việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp

Để nghiên cứu khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm đo quang điện hóa, nhiễu xạ tia X (XRD), và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Những phương pháp này giúp xác định cấu trúc, tính chất bề mặt và hiệu suất quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp.

3.1. Phương pháp đo quang điện hóa

Phương pháp đo quang điện hóa được sử dụng để xác định khả năng quang xúc tác của màng TiO2. Qua đó, có thể đánh giá được cường độ dòng quang và sự phụ thuộc của nó vào các yếu tố như loại ánh sáng và công suất chiếu sáng. Kết quả từ phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế quang xúc tác của TiO2 pha tạp.

3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của màng TiO2 pha tạp. Phương pháp này giúp xác định các pha tinh thể có trong mẫu, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của pha tạp đến tính chất quang xúc tác của TiO2.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng TiO2 pha tạp có khả năng quang xúc tác vượt trội so với TiO2 tinh khiết. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc pha tạp với các nguyên tố như V, N đã làm tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cường độ dòng quang phụ thuộc vào loại ánh sáng và công suất chiếu sáng.

4.1. Hiệu suất quang xúc tác của TiO2 pha tạp

Các thí nghiệm cho thấy màng TiO2 pha tạp có hiệu suất quang xúc tác cao hơn so với TiO2 tinh khiết. Việc pha tạp giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiều gốc tự do hơn, từ đó nâng cao khả năng oxy hóa và khử các hợp chất độc hại.

4.2. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào điều kiện thí nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại ánh sáng, công suất chiếu sáng và nồng độ tạp chất. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất quang xúc tác tối ưu cho màng TiO2 pha tạp.

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

Nghiên cứu khả năng quang xúc tác của màng TiO2 pha tạp đã mở ra nhiều triển vọng trong việc ứng dụng TiO2 trong xử lý ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để hiểu rõ hơn về cơ chế quang xúc tác và tối ưu hóa hiệu suất của TiO2 pha tạp. Tương lai, TiO2 pha tạp có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm môi trường.

5.1. Triển vọng ứng dụng TiO2 pha tạp trong xử lý ô nhiễm

TiO2 pha tạp có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm không khí và nước. Với khả năng quang xúc tác cao, TiO2 pha tạp có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải và làm sạch không khí, góp phần bảo vệ môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực TiO2 pha tạp

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tìm hiểu sâu hơn về cơ chế quang xúc tác của TiO2 pha tạp, cũng như phát triển các phương pháp chế tạo màng TiO2 pha tạp với hiệu suất cao hơn. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của TiO2 trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Hoàng Thị Kim Dung NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU MÀNG TIO2 PHA TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Hoàng Thị Kim Dung NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU MÀNG TIO2 PHA TẠP Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội – Năm 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung LỜI CẢM ƠN Em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải. Thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu, thực hành thí nghiệm, khai thác phân tích kết quả để hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình tới chị Nguyễn Thị Tuyết Mai Bộ môn Hóa Vô Cơ Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và anh Phạm Văn Hanh Bộ môn Vật Lý Chất Rắn Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội đã nhiệt tình và chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm thí nghiệm.

Xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- Đại Học Quốc Gia Hà Nội, các thầy cô trong Bộ môn Vật Lý chất rắn giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện. Xin được gửi lời cảm ơn tới mọi người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực hiện luận văn này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn tốt nghiệp khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy cô và các bạn. Một lần nữa, xin trân trọng cảm ơn.

Hà Nội, Ngày 20 tháng 11 năm 2013 Học viên Hoàng Thị Kim Dung LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về tinh thể TiO 2. Cấu trúc tinh thể của TiO2. Sự chuyển pha của tinh thể TiO 2.

Giản đồ năng lượng của tinh thể TiO 2. Một số tính chất cuả tinh thể TiO 2. Tính chất điện. Tính chất quang xúc tác của TiO2.

Tính chất của TiO 2 pha tạp. Một số ứng dụng của TiO 2. Lớp sơn phủ siêu thấm ướt và vật liệu tự làm sạch. Sản xuất nhiên liệu hiđrô.

Phương pháp chế tạo màng. Một số phương pháp chế tạo màng. Phương pháp sol–gel. Khảo sát tính chất của màng.

Khảo sát cấu trúc màng mỏng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Khảo sát bề mặt màng mỏng bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Đo phổ hấp thụ UV-vis. Đo quang điện hóa bằng hệ Autolab.

24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM. Các thiết bị chế tạo mẫu. Công nghệ chế tạo màng TiO 2, TiO2 :V. 32 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung 2.

Đo nhiễu xạ tia X (XRD). Phép chụp ảnh SEM. Phép đo hấp thụ. Phép đo quang điện hóa.

33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X. Ảnh SEM của màng TiO 2 và TiO2 : V. Phổ tán sắc năng lượng EDX.

Phổ hấp thụ UV-vis. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO 2 và TiO2 pha tạp thông qua đo quang điện hóa. Bản chất của quá trình quang xúc tác. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo thời gian.

Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo loại ánh sáng. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo công suất chiếu sáng. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo pha tạp. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề rất nóng trên toàn cầu nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện nay là tình trạng ô nhiễm môi trường, sự gia tăng chất thải, khí thải trong không khí, hiệu ứng nhà kính. Không khí, nguồn nước bị ô nhiễm nặng do khói, bụi, rác thải công nghiệp, khí hậu nắng nóng vẫn đang ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Ngoài ra, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng như khí đốt, than, dầu khí… ngày càng gia tăng dẫn đến nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt. Bên cạnh đó là sự ô nhiễm môi trường do khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên bừa bãi.

Để đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao của đời sống cũng như của khoa học, việc tìm ra những vật liệu mới, với những tính chất vượt trội vừa có khả năng ứng dụng cao, vừa thân thiện với môi trường và đưa chúng vào ứng dụng mang ý nghĩa rất to lớn và đang được các nhà khoa học rất quan tâm. Năm 1972 Fujishima và Honda đã khám phá ra tác dụng quang xúc tác của TiO2 khi phân tách nước thành hydro và oxy dưới tác dụng của tia tử ngoại. Từ đó tác dụng quang xúc tác của TiO2 được chú ý bởi khả năng tiềm tàng của nó trong việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học [9]. Gần đây nó được sử dụng một cách tích cực trong việc bảo vệ môi trường.

TiO 2 được dùng với tác dụng phá vỡ cấu trúc của các hợp chất độc hại trong không khí và nước. Tuy nhiên, khi sử dụng TiO2 với tác dụng quang xúc tác có hạn chế là TiO2 chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại. Qua thống kê, ánh sáng tử ngoại chỉ chiếm 5% ánh sáng mặt trời [9]. Nếu dùng TiO2 tinh khiết với tác dụng quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời thì sẽ không đạt được hiệu quả cao.

Vì vậy, chúng ta cần pha tạp một số chất vào TiO2 để tạo ra TiO2 pha tạp có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy để sử dụng nguồn năng lượng sạch, hữu ích và dồi dào là năng lượng mặt trời. Trong lĩnh vực này các nghiên cứu cho thấy TiO2 được dùng ở kích thước hạt cỡ nano và ở dạng tinh thể anatase thì sẽ cho kết quả cao nhất [10]. Khi nghiên cứu về khả năng quang xúc tác các công trình trên chỉ đưa ra là vật liệu có khả năng làm mất màu dung dịch xanh metylen hay các loại thuốc nhuộm khi chiếu ánh sáng mà chưa chỉ rõ được cơ chế quang xúc tác [1]. Mà khả năng làm mất -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung màu này cũng có ở vật liệu khác như khả năng hấp phụ thuốc nhuộm trên bề mặt của than hoạt tính mà không cần đến ánh sáng [11].

Chính vì vậy, trong luận văn này chúng tôi đi sâu vào nghiên cứu và thực hiện các phép đo quang điện hóa để chỉ rõ bản chất của quá trình quang xúc tác của vật liệu TiO2 và TiO2–V với các loại ánh sáng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Với những lý do như trên tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn này là: “Nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu màng TiO2 pha tạp+” thông qua việc nghiên cứu cường độ dòng quang của quá trình quang điện hóa với màng chế tạo được trong dung dịch điện phân. -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tinh thể TiO2 1.

Cấu trúc tinh thể của TiO2 Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau. Đến nay các nhà khoa học đã công bố những nghiên cứu về 7 dạng thù hình (gồm 4 dạng là cấu trúc tự nhiên, còn 3 dạng kia là dạng tổng hợp) của tinh thể TiO2. Trong đó, 3 dạng thù hình phổ biến và được quan tâm hơn cả của tinh thể TiO2 là rutile, anatase và brookite [7, 19]. Tinh thể TiO2 pha rutile và anatase đều có cấu trúc tứ giác (tetragonal) và được xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện (octahedra), trong mỗi bát diện có 1 ion Ti4+ nằm ở tâm và 6 ion O2- nằm ở 2 đỉnh, 4 góc.

* Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 rutile có 2 ion Ti4+ và 4 ion O2-. Các bát diện oxit titan sắp xếp thành các chuỗi đối xứng bậc 4 với các cạnh chung nhau, mỗi bát diện tiếp giáp với 10 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 6 bát diện chung góc) (hình 1. * Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 anatase có 4 ion Ti4+ và 7 ion O2-. Mỗi bát diện tiếp giáp với 8 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 4 bát diện chung góc) (hình 1.

Qua đó ta có thể thấy tinh thể TiO 2 anatase khuyết O nhiều hơn tinh thể TiO2 rutile. Điều này ảnh hưởng tới một số tính chất vật lý của vật liệu TiO2 ở các dạng thù hình khác nhau vì các nút khuyết O có vai trò như tạp chất donor. Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể TiO2 ở pha anatase (3,79 Å, 3,03 Å) lớn hơn trong pha rutile (3,57 Å, 2,96 Å) còn khoảng cách Ti-O trong tinh thể TiO2 ở pha anatase (1,394 Å, 1,98 Å) nhỏ hơn trong pha rutile (1,949 Å, 1,98 Å). Điều đó cũng ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử, cấu trúc vùng năng lượng của hai dạng tinh thể và kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu.1c mô tả mô hình cấu trúc tinh thể của TiO2 brookite, một pha khác của TiO2 có thể gặp trong quá trình chế tạo.

-3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Hoàng Thị Kim Dung (a) (b) Khuyết Khuyết Khuyết nút mạng một Oxy hai Oxy (c) (d) Hình 1.1: Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha rutile (a), anatase (b) brookite (c) và tinh thể khuyết tật mạng (d) : O 2- : Ti 4+ Bảng 1.