Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu nanocomposite dựa trên titan oxit (TiO2) đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực quang học và quang xúc tác nhờ khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ hiệu quả dưới tác dụng của ánh sáng. TiO2 là vật liệu quang xúc tác tiêu biểu với hoạt tính quang hóa cao, giá thành thấp, tính độc thấp, bền hóa học và bền nhiệt tốt. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại với bước sóng dưới 380 nm, giới hạn khả năng ứng dụng trong ánh sáng nhìn thấy. Để khắc phục hạn chế này, việc gắn các hạt nano kim loại quý như vàng (AuNPs) và bạc (AgNPs) lên bề mặt TiO2 nhằm mở rộng phổ hấp thụ và tăng hiệu quả quang xúc tác đã được nghiên cứu rộng rãi.

Luận văn tập trung vào chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nanocomposite Ag:TiO2 và Au:TiO2 bằng phương pháp plasma tương tác với dung dịch, một kỹ thuật mới có nhiều ưu điểm như thời gian chế tạo nhanh, không cần sử dụng hóa chất phức tạp, sản phẩm có độ tinh khiết cao và liên kết chặt chẽ giữa hạt nano kim loại và TiO2. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2018 tại Đại học Thái Nguyên, với mục tiêu xây dựng quy trình chế tạo nanocomposite đơn giản, hiệu quả và khảo sát các đặc tính quang học của vật liệu.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất quang xúc tác của TiO2, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường, diệt khuẩn và các lĩnh vực quang học khác. Các số liệu thực nghiệm cho thấy vật liệu nanocomposite có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy tốt hơn TiO2 thương mại, đồng thời cải thiện khả năng phân tán và liên kết giữa các thành phần cấu tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Đây là hiện tượng dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano kim loại khi tương tác với ánh sáng, tạo ra đỉnh hấp thụ đặc trưng phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh hạt nano. Hiệu ứng này giúp mở rộng phổ hấp thụ của TiO2 sang vùng ánh sáng nhìn thấy.

  • Lý thuyết Mie: Giải phương trình Maxwell để mô tả tương tác của sóng ánh sáng với các hạt nano kim loại hình cầu trong môi trường đồng nhất, giúp dự đoán vị trí đỉnh hấp thụ plasmon dựa trên kích thước hạt và hằng số điện môi môi trường.

  • Cơ chế quang xúc tác của TiO2: Khi chiếu sáng, điện tử từ vùng hóa trị của TiO2 được kích thích lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như OH* và O2- có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống làm giảm hiệu quả quang xúc tác, do đó việc gắn hạt nano kim loại giúp kéo dài thời gian sống của các lỗ trống này.

  • Phương pháp plasma tương tác với dung dịch: Sử dụng microplasma ở áp suất khí quyển để tạo ra các tác nhân khử ion kim loại thành hạt nano mà không cần chất ổn định bề mặt, giúp tạo ra vật liệu nanocomposite có độ tinh khiết cao, liên kết chặt chẽ và kích thước hạt nano có thể điều chỉnh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng TiO2 thương mại có kích thước trung bình 800 nm, dung dịch tiền chất HAuCl4 và AgNO3 với nồng độ 0,06 mM. Vật liệu nanocomposite được chế tạo bằng phương pháp plasma tương tác với dung dịch kết hợp rung siêu âm tần số 40 kHz.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng vật liệu được khảo sát bằng kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt nano, cùng với phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu ứng plasmon.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình biến tính TiO2 bằng plasma được thực hiện trong các khoảng thời gian 15, 30 và 45 phút; chế tạo hạt nano AuNPs và AgNPs trong 15 phút; thử nghiệm quang xúc tác trên dung dịch methylene blue (MB) dưới ánh sáng mặt trời trong 120 phút.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu TiO2 được xử lý plasma và gắn hạt nano kim loại được chuẩn bị với nồng độ đồng nhất 0,33 g/l, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng so sánh giữa các mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Gắn hạt nano vàng lên TiO2 thương mại: Phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy đỉnh hấp thụ plasmon của AuNPs độc lập ở 535 nm, tương ứng với kích thước hạt khoảng 20 nm. Khi gắn lên TiO2, đỉnh hấp thụ dịch chuyển về phía đỏ khoảng 10 nm (545 nm), chứng tỏ sự tương tác giữa AuNPs và TiO2. Ảnh TEM xác nhận phần lớn hạt AuNPs gắn lên bề mặt TiO2 nhưng liên kết còn lỏng lẻo.

  2. Biến tính vật liệu nền TiO2 bằng plasma: TiO2 được xử lý plasma có khả năng phân tán tốt hơn trong nước, dung dịch không bị lắng sau 24 giờ, trong khi TiO2 thương mại bị lắng hoàn toàn. Phổ hấp thụ UV-Vis của TiO2 biến tính tăng cường hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy lên gấp khoảng 6 lần so với TiO2 chưa xử lý, mở rộng phổ hấp thụ ra vùng 400-800 nm.

  3. Gắn hạt AuNPs lên TiO2 biến tính: Với thời gian xử lý plasma 45 phút, phổ hấp thụ của nanocomposite Au:TiO2 có đỉnh hấp thụ ở 545 nm, tương tự mẫu không xử lý, nhưng ảnh TEM cho thấy sự xuất hiện của hai loại hạt AuNPs: loại lớn khoảng 20 nm và loại nhỏ đồng đều khoảng 2 nm. Các hạt nhỏ gắn chặt vào bề mặt TiO2, tạo liên kết gần như hòa làm một, trong khi hạt lớn gắn lỏng lẻo hơn. Số lượng hạt nhỏ chiếm ưu thế, cho thấy cơ chế hình thành hạt nhỏ khác biệt, có thể hình thành trực tiếp trên bề mặt TiO2 biến tính.

  4. Hoạt tính quang xúc tác của Ag:TiO2: Dung dịch Ag:TiO2 sau 120 phút chiếu sáng mặt trời cho thấy sự giảm mạnh phổ hấp thụ của methylene blue, chứng tỏ khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ hiệu quả. Hiệu suất quang xúc tác tăng lên đáng kể so với TiO2 thương mại, nhờ sự mở rộng phổ hấp thụ và tăng thời gian sống của các lỗ trống quang sinh.

Thảo luận kết quả

Việc gắn hạt nano kim loại quý lên TiO2 bằng phương pháp plasma tương tác dung dịch đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện tính chất quang xúc tác của vật liệu. Sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ plasmon về phía đỏ khi gắn AuNPs lên TiO2 phản ánh sự tương tác điện môi giữa hạt nano và chất nền, phù hợp với lý thuyết Mie và các nghiên cứu trước đây. Khả năng phân tán tốt và mở rộng phổ hấp thụ của TiO2 biến tính nhờ plasma giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, khắc phục hạn chế phổ tử ngoại của TiO2 thương mại.

Ảnh TEM cho thấy sự hình thành các hạt AuNPs nhỏ gắn chặt trên bề mặt TiO2 biến tính, điều này làm tăng hiệu quả truyền năng lượng và giảm quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. So sánh với các phương pháp chế tạo truyền thống, phương pháp plasma tương tác dung dịch tiết kiệm thời gian, không sử dụng hóa chất phức tạp và tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn.

Kết quả quang xúc tác của Ag:TiO2 trên methylene blue dưới ánh sáng mặt trời cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường, phù hợp với các báo cáo ngành về hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ bằng vật liệu nanocomposite TiO2 kim loại quý.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis so sánh các mẫu TiO2 thương mại, TiO2 biến tính và nanocomposite Au:TiO2, Ag:TiO2; cùng với ảnh TEM minh họa kích thước và sự phân bố hạt nano trên bề mặt TiO2.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời gian xử lý plasma: Khuyến nghị tăng thời gian xử lý TiO2 bằng plasma lên khoảng 45 phút để tạo ra nhiều hạt nano nhỏ gắn chặt, nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu; Thời gian: 3-6 tháng.

  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Áp dụng phương pháp plasma tương tác dung dịch để sản xuất nanocomposite Ag:TiO2 và Au:TiO2 trên quy mô lớn, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ vật liệu; Thời gian: 1-2 năm.

  3. Nghiên cứu ứng dụng trong xử lý môi trường: Thử nghiệm vật liệu nanocomposite trong xử lý nước thải và không khí ô nhiễm, đánh giá hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ và vi sinh vật gây hại. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu môi trường, các tổ chức quản lý môi trường; Thời gian: 6-12 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu với các kim loại khác: Khuyến khích nghiên cứu gắn các hạt nano kim loại khác như platin, palladium lên TiO2 bằng phương pháp plasma để so sánh hiệu quả quang xúc tác. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu vật liệu; Thời gian: 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang xúc tác: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp chế tạo nanocomposite TiO2 kim loại quý bằng plasma, giúp phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano: Tham khảo quy trình chế tạo nhanh, sạch, tiết kiệm chi phí, phù hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp vật liệu nanocomposite.

  3. Chuyên gia môi trường: Áp dụng vật liệu nanocomposite trong xử lý ô nhiễm nước và không khí, nâng cao hiệu quả xử lý các chất độc hại và vi sinh vật gây bệnh.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý, hóa học: Tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết plasmon, phương pháp plasma tương tác dung dịch và kỹ thuật phân tích vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp plasma tương tác dung dịch có ưu điểm gì so với phương pháp hóa học truyền thống?
    Phương pháp plasma không cần sử dụng chất khử hay chất ổn định bề mặt phức tạp, thời gian chế tạo nhanh (khoảng 5-15 phút), sản phẩm có độ tinh khiết cao và liên kết hạt nano với TiO2 chặt chẽ hơn, giảm hiện tượng kết đám.

  2. Kích thước hạt nano vàng ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang của nanocomposite?
    Hạt nano vàng kích thước khoảng 20 nm tạo đỉnh hấp thụ plasmon ở 535 nm, trong khi hạt nhỏ hơn (~2 nm) có đỉnh hấp thụ dịch xanh hơn. Kích thước nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và hiệu quả truyền năng lượng, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  3. Tại sao cần biến tính TiO2 trước khi gắn hạt nano kim loại?
    Biến tính bằng plasma giúp tạo các nhóm chức chứa nitrogen trên bề mặt TiO2, tăng tính ưa nước, cải thiện khả năng phân tán và tạo điều kiện thuận lợi cho hạt nano kim loại gắn chặt lên bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

  4. Nanocomposite Ag:TiO2 có ứng dụng gì trong thực tế?
    Nanocomposite Ag:TiO2 có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như methylene blue dưới ánh sáng mặt trời, đồng thời có tính kháng khuẩn, chống nấm, phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải và khử trùng môi trường.

  5. Phổ hấp thụ UV-Vis giúp đánh giá gì về vật liệu nanocomposite?
    Phổ hấp thụ UV-Vis cho biết khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, vị trí đỉnh hấp thụ plasmon phản ánh kích thước và sự tương tác của hạt nano kim loại với TiO2, từ đó đánh giá hiệu quả mở rộng phổ hấp thụ và tiềm năng quang xúc tác.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo nanocomposite Ag:TiO2 và Au:TiO2 bằng phương pháp plasma tương tác dung dịch, tiết kiệm thời gian và hóa chất, tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao.
  • TiO2 biến tính bằng plasma có khả năng phân tán tốt hơn và mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy, tăng hiệu quả quang xúc tác.
  • Nanocomposite Au:TiO2 có hai loại hạt nano vàng với kích thước khác nhau, trong đó hạt nhỏ gắn chặt lên bề mặt TiO2, cải thiện liên kết và hiệu suất quang xúc tác.
  • Vật liệu Ag:TiO2 thể hiện khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, phù hợp ứng dụng xử lý môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình chế tạo, mở rộng nghiên cứu ứng dụng và phát triển sản xuất quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng phương pháp plasma tương tác dung dịch để phát triển vật liệu nanocomposite quang xúc tác, đồng thời triển khai thử nghiệm ứng dụng trong xử lý môi trường thực tế.