Luận văn thạc sĩ chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của tio2fe3

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và tính chất vật lý của TiO2Fe3, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và tiềm năng của vật liệu này.

• Tác giả: Nguyễn Thị Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Thị Loan
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Một Số Tính Chất Vật Lý Của TiO2: Fe3+
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu TiO2
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2
• 1.3. Một số tính chất hoá học đặc trưng của vật liệu TiO2
• 1.4. Một số tính chất vật lý đặc trưng của vật liệu nano TiO2
• 1.4.1. Tính chất nhiệt của vật liệu nano TiO2
• 1.4.2. Tính chất điện của vật liệu nano TiO2
• 1.4.3. Tính chất quang xúc tác của TiO2
• 1.5. Tổng quan về vật liệu TiO2 pha tạp Fe3+
• 1.5.1. Cấu tạo, tính chất của nguyên tố kim loại Fe
• 1.5.2. Tổng quan một số tài liệu nghiên cứu về vật liệu TiO2 pha tạp Fe3+
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu
• 2.2. Quy trình tạo mẫu
• 2.3. Các phép đo thực nghiệm
• 2.3.1. Phép đo nhiễu xạ tia X
• 2.3.2. Phép đo phổ Raman
• 2.3.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng (EDS)
• 2.3.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.3.5. Phép đo phổ phản xạ khuếch tán
• 2.3.6. Phép đo phổ huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên cấu trúc tinh thể TiO2
• 3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2
• 3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên phổ Raman của TiO2
• 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ đến phổ EDS và hình thái học
• 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên tính chất quang của TiO2
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên phổ phản xạ khuếch tán của TiO2
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Fe3+ lên phổ huỳnh quang của TiO2
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất vật lý của TiO2 Fe3

Nghiên cứu về TiO2 pha tạp Fe3+ đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. TiO2 là một vật liệu bán dẫn quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghệ quang điện và xử lý môi trường. Việc pha tạp Fe3+ vào TiO2 không chỉ cải thiện tính chất quang học mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu này. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về các tính chất vật lý của TiO2: Fe3+, từ cấu trúc tinh thể đến các tính chất quang học và điện. Những hiểu biết này sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới cho TiO2 trong tương lai.

1.1. Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể đến tính chất vật lý của TiO2

Cấu trúc tinh thể của TiO2 có ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lý của nó. TiO2 tồn tại chủ yếu dưới ba dạng: anatase, rutile và brookite. Mỗi dạng có cấu trúc và tính chất khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và tính chất quang xúc tác. Nghiên cứu cho thấy rằng TiO2 pha tạp Fe3+ có thể thay đổi cấu trúc tinh thể, từ đó cải thiện khả năng quang xúc tác và tính chất điện của vật liệu.

1.2. Tính chất quang học của TiO2 Fe3 và ứng dụng

Tính chất quang học của TiO2: Fe3+ rất quan trọng trong các ứng dụng như quang xúc tác và pin mặt trời. Việc pha tạp Fe3+ giúp giảm độ rộng vùng cấm của TiO2, cho phép nó hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Điều này mở ra khả năng sử dụng TiO2 trong các ứng dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu TiO2 Fe3

Mặc dù TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng việc sử dụng nó trong các ứng dụng thực tiễn vẫn gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ rộng vùng cấm của TiO2 quá lớn, khiến nó chỉ có thể hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại. Việc pha tạp Fe3+ có thể giúp giải quyết vấn đề này, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức trong việc kiểm soát nồng độ tạp chất và cấu trúc tinh thể của vật liệu.

2.1. Thách thức trong việc kiểm soát nồng độ Fe3

Việc kiểm soát nồng độ Fe3+ trong TiO2 là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn. Nồng độ tạp chất quá cao có thể dẫn đến sự hình thành các pha không mong muốn, ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện của vật liệu. Do đó, cần có các phương pháp chế tạo chính xác để đảm bảo nồng độ tạp chất phù hợp.

2.2. Vấn đề về tính ổn định của TiO2 Fe3

Tính ổn định của TiO2: Fe3+ trong môi trường thực tế cũng là một vấn đề cần được nghiên cứu. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Nghiên cứu cần tập trung vào việc cải thiện tính ổn định của TiO2: Fe3+ để đảm bảo hiệu suất lâu dài trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp chế tạo TiO2 Fe3 hiệu quả

Để chế tạo TiO2: Fe3+, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu, trong đó phương pháp thủy nhiệt và sol-gel là phổ biến nhất. Những phương pháp này cho phép kiểm soát tốt cấu trúc tinh thể và nồng độ tạp chất. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lý của TiO2: Fe3+.

3.1. Phương pháp thủy nhiệt trong chế tạo TiO2 Fe3

Phương pháp thủy nhiệt là một trong những phương pháp hiệu quả để chế tạo TiO2: Fe3+. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và cấu trúc tinh thể ổn định. Nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu, từ đó cần được tối ưu hóa.

3.2. Phương pháp sol gel và ưu điểm của nó

Phương pháp sol-gel cũng là một lựa chọn phổ biến trong việc chế tạo TiO2: Fe3+. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt nồng độ tạp chất và kích thước hạt. Hơn nữa, sol-gel có thể dễ dàng áp dụng cho quy mô lớn, giúp sản xuất TiO2: Fe3+ với chi phí thấp và hiệu quả cao.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của TiO2 Fe3

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng TiO2: Fe3+ có nhiều tính chất vượt trội so với TiO2 tinh khiết. Việc pha tạp Fe3+ không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường tính chất quang xúc tác. Những ứng dụng thực tiễn của TiO2: Fe3+ bao gồm xử lý nước thải, sản xuất năng lượng mặt trời và trong các thiết bị điện tử.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Một trong những ứng dụng quan trọng của TiO2: Fe3+ là trong xử lý nước thải. Nhờ vào khả năng quang xúc tác, TiO2: Fe3+ có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước, giúp làm sạch môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2: Fe3+ có hiệu suất cao trong việc xử lý nước thải ô nhiễm.

4.2. Tiềm năng trong sản xuất năng lượng mặt trời

Tiềm năng của TiO2: Fe3+ trong sản xuất năng lượng mặt trời cũng rất đáng chú ý. Việc cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến giúp TiO2: Fe3+ trở thành một ứng viên tiềm năng cho các ứng dụng trong pin mặt trời. Nghiên cứu cho thấy rằng TiO2: Fe3+ có thể tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của TiO2 Fe3

Nghiên cứu về TiO2: Fe3+ đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu nano. Những tính chất vượt trội của TiO2: Fe3+ so với TiO2 tinh khiết cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong tương lai.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Triển vọng nghiên cứu về TiO2: Fe3+ trong tương lai rất hứa hẹn. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện tính ổn định và hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng thực tiễn. Hơn nữa, việc khám phá các phương pháp chế tạo mới có thể giúp tối ưu hóa các tính chất của TiO2: Fe3+.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ xanh

Với xu hướng phát triển công nghệ xanh, TiO2: Fe3+ có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho môi trường. Việc sử dụng TiO2: Fe3+ trong các ứng dụng như xử lý nước thải và sản xuất năng lượng tái tạo sẽ góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu đang trở thành những thách thức nghiêm trọng toàn cầu. Nhu cầu năng lượng dự báo sẽ tăng gấp đôi trong vòng 50 năm tới, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Trái đất nhận được khoảng 3.000 lần nhu cầu năng lượng hiện tại từ Mặt Trời mỗi năm, tuy nhiên việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều khó khăn. Vật liệu Titan dioxid (TiO2) với đặc tính bán dẫn, vùng cấm rộng, chiết suất cao, không độc hại và giá thành thấp được xem là một trong những ứng viên tiềm năng trong lĩnh vực quang xúc tác và chuyển đổi năng lượng mặt trời.

TiO2 ở kích thước nano có khả năng phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm dưới tác dụng ánh sáng, đặc biệt trong môi trường nước, góp phần làm sạch môi trường. Tuy nhiên, TiO2 có vùng cấm rộng (khoảng 3,05 - 3,25 eV) chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, trong khi ánh sáng khả kiến chiếm gần 45% năng lượng mặt trời. Điều này giới hạn hiệu quả quang xúc tác của TiO2. Do đó, việc pha tạp TiO2 với các ion kim loại chuyển tiếp như Fe3+ nhằm thu hẹp vùng cấm và nâng cao hiệu suất quang xúc tác là hướng nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung chế tạo các hạt nano TiO2 pha tạp Fe3+ với nồng độ từ 0 đến 25 %mol bằng phương pháp thủy phân kết hợp thủy nhiệt, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ và điều kiện chế tạo lên cấu trúc tinh thể, tính chất quang và vật lý của vật liệu. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2018, nhằm đóng góp vào việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn, phục vụ xử lý môi trường và chuyển đổi năng lượng.

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:

• Cấu trúc tinh thể TiO2: TiO2 tồn tại chủ yếu ở ba pha tinh thể anatase, rutile và brookite, với cấu trúc phối trí bát diện TiO6. Pha rutile có độ bền cao nhất, anatase có vùng cấm rộng hơn (3,25 eV) so với rutile (3,05 eV). Sự khác biệt cấu trúc ảnh hưởng đến tính chất quang và điện của vật liệu.

• Tính chất quang xúc tác của TiO2: Khi chiếu sáng bằng photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng vùng cấm, electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống (e--h+). Các cặp này tham gia phản ứng ôxy hóa-khử, tạo ra các gốc tự do *OH có khả năng phân hủy các chất hữu cơ.

• Ảnh hưởng của pha tạp Fe3+: Ion Fe3+ có bán kính tương đương Ti4+ nên dễ thay thế vào vị trí Ti trong mạng tinh thể TiO2, tạo ra các mức năng lượng trung gian trong vùng cấm, thu hẹp vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Sự pha tạp cũng tạo ra các khuyết tật mạng như nút khuyết ôxy, ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng, quang xúc tác, pha tạp ion kim loại, khuyết tật mạng tinh thể, và các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Các mẫu TiO2 pha tạp Fe3+ được chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp thủy phân kết hợp thủy nhiệt, với nồng độ Fe3+ từ 0 đến 25 %mol. Tiền chất sử dụng gồm dung dịch TiCl4, FeCl3, H2SO4, NH4OH để điều chỉnh pH.

• Quy trình chế tạo: Hỗn hợp dung dịch được khuấy đều, điều chỉnh pH về 7, sau đó tiến hành thủy nhiệt ở 220 oC trong 24 giờ hoặc ủ nhiệt ở 400 oC trong 3 giờ. Mẫu thu được được rửa sạch, ly tâm và sấy khô.

• Phương pháp phân tích:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, pha và tính toán kích thước hạt theo công thức Debye-Scherrer.
  • Phổ Raman để khảo sát các mode dao động mạng tinh thể, đánh giá sự biến đổi cấu trúc do pha tạp.
  • Phổ tán xạ năng lượng (EDS) xác định thành phần nguyên tố và tỷ lệ Fe trong mẫu.
  • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) quan sát hình thái và kích thước hạt nano.
  • Phổ phản xạ khuếch tán (DRS) đo khả năng hấp thụ ánh sáng và xác định độ rộng vùng cấm.
  • Phổ huỳnh quang (PL) khảo sát các mức năng lượng và cơ chế tái hợp điện tử-lỗ trống.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và phân tích mẫu được thực hiện trong năm 2018 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ lên cấu trúc tinh thể TiO2:

   • Mẫu TiO2 không pha tạp có cấu trúc đơn pha anatase hoặc rutile tùy phương pháp chế tạo.
   • Khi pha tạp Fe3+ với nồng độ dưới 1 %mol, cấu trúc anatase được duy trì.
   • Ở nồng độ Fe3+ từ 4 %mol trở lên, xuất hiện pha phụ Fe2O3 và TiFeO3, đồng thời pha rutile tăng lên.
   • Hằng số mạng a, b gần như không đổi, trong khi hằng số mạng c giảm dần theo nồng độ Fe3+, cho thấy sự co lại mạng tinh thể theo trục c do ion Fe3+ nhỏ hơn Ti4+.
   • Kích thước tinh thể giảm từ khoảng 20 nm ở mẫu không pha tạp xuống còn khoảng 10-15 nm ở mẫu pha tạp Fe3+ cao.

2. Phổ Raman và phổ EDS:

   • Phổ Raman cho thấy sự dịch chuyển và mở rộng các mode đặc trưng của anatase về phía số sóng cao khi tăng nồng độ Fe3+, phản ánh sự biến dạng mạng tinh thể và tăng nút khuyết ôxy.
   • Phổ EDS xác nhận sự hiện diện của Fe trong mẫu, tỷ lệ Fe đo được gần với tỷ lệ pha tạp ban đầu, ví dụ mẫu 4 %mol có khoảng 3 %wt Fe.

3. Tính chất quang của TiO2 pha tạp Fe3+:

   • Phổ phản xạ khuếch tán cho thấy vùng hấp thụ dịch chuyển về bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) khi tăng nồng độ Fe3+, tương ứng với sự giảm độ rộng vùng cấm từ khoảng 3,25 eV xuống còn khoảng 2,8 eV ở nồng độ cao.
   • Phổ huỳnh quang ghi nhận các đỉnh phát xạ liên quan đến các mức năng lượng vùng cấm và các khuyết tật mạng, với cường độ huỳnh quang giảm khi tăng nồng độ Fe3+, cho thấy sự giảm tái hợp không bức xạ và tăng hiệu quả quang xúc tác.

Thảo luận kết quả

Sự thay thế ion Ti4+ bằng Fe3+ trong mạng tinh thể TiO2 tạo ra các mức năng lượng trung gian trong vùng cấm, làm thu hẹp vùng cấm và mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến. Điều này được minh chứng qua phổ phản xạ khuếch tán và phổ huỳnh quang. Sự giảm kích thước hạt nano và biến dạng mạng tinh thể do pha tạp Fe3+ cũng góp phần tăng diện tích bề mặt và tạo nhiều vị trí hoạt động quang xúc tác hơn.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp sol-gel và thủy nhiệt, cho thấy phương pháp thủy phân kết hợp thủy nhiệt cũng là phương pháp hiệu quả để chế tạo TiO2 pha tạp Fe3+ với cấu trúc ổn định và tính chất quang cải thiện. Các biểu đồ XRD, Raman và phổ hấp thụ có thể được trình bày để minh họa rõ ràng sự thay đổi cấu trúc và vùng cấm theo nồng độ Fe3+.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường và chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nồng độ pha tạp Fe3+: Khuyến nghị sử dụng nồng độ Fe3+ trong khoảng 1-8 %mol để duy trì cấu trúc anatase ổn định, đồng thời thu hẹp vùng cấm hiệu quả, nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm tối ưu trong vòng 6-12 tháng.

2. Điều chỉnh quy trình thủy nhiệt: Thử nghiệm các điều kiện nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt khác nhau (200-250 oC, 12-48 giờ) để kiểm soát kích thước hạt và pha tinh thể, nhằm tối ưu hóa tính chất quang xúc tác. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm vật liệu.

3. Nghiên cứu ứng dụng thực tế: Áp dụng vật liệu TiO2:Fe3+ trong xử lý nước thải và không khí ô nhiễm dưới ánh sáng mặt trời để đánh giá hiệu quả quang xúc tác trong điều kiện thực tế. Thời gian thử nghiệm dự kiến 12-18 tháng.

4. Phát triển công nghệ thu hồi và tái sử dụng vật liệu: Nghiên cứu các phương pháp thu hồi TiO2 nano sau quá trình xử lý môi trường để giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp và nâng cao tính kinh tế. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu bán dẫn và quang xúc tác: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về ảnh hưởng của Fe3+ lên cấu trúc và tính chất quang của TiO2, hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

2. Chuyên gia công nghệ môi trường: Thông tin về khả năng quang xúc tác của TiO2 pha tạp Fe3+ giúp ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước và không khí.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị quang điện: Cơ sở khoa học để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Tài liệu tham khảo về phương pháp chế tạo, phân tích và đánh giá vật liệu nano TiO2 pha tạp kim loại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn Fe3+ để pha tạp TiO2?
   Fe3+ có bán kính ion gần bằng Ti4+ (0,64 Å), dễ thay thế vào vị trí Ti trong mạng tinh thể mà không làm biến dạng lớn cấu trúc, đồng thời tạo ra các mức năng lượng trung gian giúp thu hẹp vùng cấm, tăng hiệu quả quang xúc tác.

2. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong chế tạo TiO2:Fe3+?
   Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt, hình thái và pha tinh thể trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và tính chất vật lý ổn định.

3. Làm thế nào xác định được sự pha tạp Fe3+ trong TiO2?
   Sử dụng phổ tán xạ năng lượng (EDS) để xác định thành phần nguyên tố, phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ Raman để khảo sát cấu trúc tinh thể và biến đổi do pha tạp.

4. Ảnh hưởng của nồng độ Fe3+ đến vùng cấm năng lượng của TiO2 như thế nào?
   Khi tăng nồng độ Fe3+, vùng cấm năng lượng của TiO2 giảm từ khoảng 3,25 eV xuống còn khoảng 2,8 eV, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

5. TiO2 pha tạp Fe3+ có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường (nước, không khí), sản xuất pin mặt trời, cảm biến quang học và các thiết bị quang điện tử.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công các hạt nano TiO2 pha tạp Fe3+ với nồng độ từ 0 đến 25 %mol bằng phương pháp thủy phân kết hợp thủy nhiệt.
• Nồng độ Fe3+ ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và pha tinh thể TiO2, với sự xuất hiện pha phụ ở nồng độ cao.
• Vùng cấm năng lượng của TiO2 giảm khi tăng nồng độ Fe3+, mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến, nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
• Các phương pháp phân tích XRD, Raman, EDS, TEM, DRS và PL đã được áp dụng hiệu quả để đánh giá tính chất vật lý và quang học của vật liệu.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, góp phần ứng dụng trong xử lý môi trường và chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Hành động tiếp theo: Tiếp tục tối ưu hóa quy trình chế tạo, mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế và phát triển công nghệ thu hồi vật liệu. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp triển khai.

Hãy liên hệ để nhận bản đầy đủ luận văn và hợp tác nghiên cứu phát triển vật liệu TiO2 pha tạp Fe3+ hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3 chương, như sau: 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1 - Tổng quan: Trình bày tổng quan về tính chất hóa học, vật lý cũng như cấu trúc tinh thể TiO2; tổng quan các tài liệu nghiên cứu về vật liệu TiO2 pha tạp chất Fe3+ trong và ngoài nước. Chƣơng 2 - Thực nghiệm: Chương này trình bày về phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu và các phép đo khảo sát các tính chất của mẫu đã chế tạo. Chƣơng 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả thu được từ các phép đo thực nghiệm, thảo luận và đánh giá các kết quả thu được. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1.1 Vật liệu TiO2 Titan (Ti) là kim loại chuyển tiếp 3d có màu trắng bạc, ở nhiệt độ thường tinh thể có cấu trúc lục giác (dạng α) là kim loại kiềm bền và ở nhiệt độ cao có cấu trúc lập phương tâm khối (dạng β) tác dụng với ôxy tạo thành ôxít TiO2.

Ti nóng chảy ở nhiệt độ 1668 oC; sôi ở nhiệt độ 3260 oC. Ti có 5 đồng vị, bền nhất là 48Ti. Số thứ tự của nguyên tử Ti là 22, cấu hình electron của nguyên tử là [Ar]3d24s2. Năng lượng ion hóa nguyên tử từ I1 đến I4 lần lượt là 6,83; 13,57; 24,47; 43,24 eV.

Bán kính nguyên tử là 1,46 Å, bán kính ion của Ti4+ 0,61 Å. Năng lượng ion hóa thứ tư của Ti rất lớn nên cấu trúc tinh thể TiO2 có độ bền cao. Trong các ôxít, trạng thái ôxy hóa đặc trưng và bền nhất là +4 (TiO2 - Titan điôxít) do các ion Ti4+ có cấu hình bền của khí hiếm (18 electron). Ngoài ra Ti có thể có các trạng thái ôxy hóa thấp hơn là +2 (TiO) và +3 (Ti2O3), nhưng ở các ôxít ứng với các số ôxy hóa thấp của Ti đều dễ chuyển sang trạng thái +4 đặc trưng [10].

Hầu hết Ti tồn tại trong tự nhiên dưới dạng các hợp chất Titan điôxít, khoáng vật inmenit (FeTiO3),. TiO2 là ôxít điển hình của kim loại titan (Ti). TiO2 là chất bán dẫn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng đôi khi hơi xanh, khi làm lạnh thì lại chuyển thành màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy ở khoảng 1870 oC).

TiO2 là vật liệu có hằng số điện môi cao, trong suốt, có chiết suất cao nên có nhiều ứng dụng độc đáo trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử học spin. Nhờ vào những tính chất lý hóa khá đặc biệt, có độ bền cao và thân thiện với môi trường vì vậy TiO2 đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều phòng thí nghiệm trong và ngoài nước. Cấu trúc, tính chất cũng như các dạng tồn tại của vật liệu TiO2 được trình bày trong các mục dưới đây.1 Cấu trúc tinh thể của TiO2 Liên kết TiO2 là liên kết ion. Các nguyên tử Titan (Ti) và ôxy (O) trao đổi điện tử hóa trị cho nhau để trở thành các cation và anion.

Liên kết xuất hiện giữa 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] các ion trái dấu thông qua lực hút tĩnh điện. Khi các nguyên tử Ti và O tiến lại gần nhau để tạo nên tinh thể TiO2, do tương tác mà giữa chúng có sự phân bố lại điện tử trong các nguyên tử. Quá trình phân bố lại điện tử thỏa mãn điều kiện bảo toàn điện tích trong toàn hệ và có xu hướng sao cho các nguyên tử có lớp vỏ ngoài cùng lấp đầy điện tử. Khi tạo thành tinh thể, mỗi nguyên tử Ti cho hai nguyên tử O bốn điện tử và trở thành cation Ti4+ và mỗi nguyên tử O nhận hai điện tử và trở thành anion O2- [11].

TiO2 có thể tồn tại ở nhiều dạng pha có cấu trúc tinh thể khác nhau, nhưng chủ yếu ở các dạng chính như: vô định hình, anatase, rutile và brookite. Trong đó, Rutile là dạng cấu trúc tinh thể bền vững của TiO2. Cả hai pha anatase và brookite đều là dạng giả bền, chúng chuyển thành pha rutile khi vật liệu được nung ở nhiệt độ trên 700 oC [40]. Tuy nhiên, một số tác giả khác thấy rằng ở nhiệt độ 500 oC đã bắt đầu có sự chuyển pha từ pha anatase sang pha rutile trong các quá trình xử lý nhiệt [68].

Còn dạng TiO2 vô định hình có độ bền kém nhất, dễ dàng chuyển sang dạng pha anatase khi để lâu trong không khí ở nhiệt độ phòng [2,8]. Phối trí bát diện của TiO2 Cấu trúc tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện (tám mặt) TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh ôxy chung. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2- (Hình 1. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Các dạng tinh thể rutile, anatase đều thuộc hệ tinh thể tứ giác (tetragonal).

Tuy nhiên trong tinh thể anatase, các đa diện phối trí tám mặt bị biến dạng mạnh hơn so với rutile, khoảng cách Ti – Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti – O trong anatase ngắn hơn so với rutile. Điều này ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý và hóa học [2,8]. Brookite có dạng trực thoi (orthorhombie), đây là tinh thể hiếm gặp và có tính quang hóa yếu hơn so với anatase và rutile. Cấu trúc tinh thể của ba pha: anatase, rutile và brookite được minh họa trên (Hình 1.

Các cấu trúc tinh thể của TiO2 pha anatase(a), rutile(b) và brookite (c) Từ cấu trúc tinh thể (Hình 1.2) ta thấy pha rutile có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại, các khối bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh, hai khối bát diện đứng cạnh nhau chia sẻ hai cạnh chung và tạo thành chuỗi, pha rutile có khối lượng riêng 4,2 g/cm3, có độ rộng vùng cấm là 3,05 eV. Với pha anatase, các khối bát diện tiếp xúc cạnh với nhau, trục c của tinh thể kéo dài ra và có khối lượng riêng là 3,9 g/cm3, có độ rộng vùng cấm là 3,25 eV. Pha brookite có cấu trúc phức tạp, độ dài của liên kết Ti-O cũng khác nhiều so với các pha anatase và rutile, pha brookite có 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] khối lượng riêng là 4,1 g/cm3, có độ rộng vùng cấm là 3,4 eV [48]. Pha brookite rất hiếm trong tự nhiên, nhưng có thể tổng hợp trong phòng thí nghiệm [46].

Mặc dù anatase và rutile cùng thuộc hệ tinh thể tứ giác (tetragonal), nhưng pha anatase có các thông số mạng a = b = 3,784 Å; c = 9,515 Å và bao gồm có 4 nguyên tử Ti và 8 nguyên tử O trong một ô cơ sở. Còn pha rutile có các thông số mạng a = b = 4,593 Å; c = 2,959 Å và bao gồm có 2 nguyên tử Ti và 4 nguyên tử O trong một ô cơ sở. Tinh thể TiO2 pha brookite có các thông số mạng a = 9,184 Å; b = 5,447 Å; c = 5,145 Å và bao gồm 8 nguyên tử Ti và 16 nguyên tử O trong một ô cơ sở. Ô cơ sở của các pha anatase, rutile và brookite được thể hiện trên Hình 1.

Ô cơ sở của cấu trúc anatase (1), rutile (2) và brookite (3) Một số thông số vật lý cơ bản của các pha anatase, rutile và brookite được trình bày trong Bảng 1. 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Một số thông số vật lý cơ bản của TiO2 pha anatase, rutile và brookite [13]. Tính chất Anatase Rutile Brookite Cấu trúc tinh thể Tetragonal Tetragonal Orthorhombic Số nguyên tử trên ô cơ sở 4 2 8 a = 9,184 a = 3,784 a = 4,593 Hằng số mạng (Å) b = 5,447 c = 9,515 c = 2,959 c = 5,145 Thể tích ô cơ sở (nm3) 0,1363 0,0624 0,2575 Khối lượng riêng (kg/m3) 3895 4274 4120 Chiết suất 2,54; 2,49 2,79; 2,903 2,61; 2,63 Độ rộng vùng cấm (eV) ~3,25 3,05 3,4 0,1949 0,1937 Độ dài liên kết Ti-O (nm) 0,187~0,204 0,1980 0,1965 Góc liên kết O-Ti-O 81,2o 77,7o 77.0o~105o Tính tan trong nước Không tan Không tan Tính tan trong HF Tan Không tan 1.2 Một số tính chất hoá học đặc trƣng của vật liệu TiO2 Khi TiO2 được nung nóng trong hơi của Cl2 thì sẽ tạo ra TiCl3 và khí ôxy.

Ái lực (khả năng kết hợp) của TiO2 đối với axít là rất yếu. Khi có mặt của ôxy TiO2 bị đốt cháy trong kiềm clorua và phân hủy không đáng kể. Khi không có mặt của ôxy thì TiO2 không tác dụng với iotua-kali (KI). Khi TiO2 được nung trong sul-phua diclorua (SCl2) sẽ tạo ra TiCl4.

Nói chung TiO2 có tính chất lưỡng tính, là hợp chất bền về mặt hoá học (nhất là ở dạng đã nung), không tác dụng với nước, dung dịch axít vô cơ loãng, kiềm (trừ HF), amoniac, các axít hữu cơ [7]. Tuy vậy, TiO2 tác dụng chậm với dung dịch H2SO4 nồng độ cao khi đun nóng và tác dụng với kiềm nóng chảy. TiO2 tan chậm trong các dung dịch kiềm nóng chảy tạo ra các muối titanat. TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3 + H2O (1.1) TiO2 tác dụng với sô đa theo phương trình dưới đây: 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] TiO2 + Na2CO3 = Na2TiO3 + CO2 (1.2) Các ôxít titan đều bền với các dung dịch axít.

Khi đun nóng lâu với dung dịch axít H2SO4 đặc có nồng độ 70%-80% thì nó chuyển vào trạng thái hòa tan (khi tăng nhiệt độ nung của TiO2 thì độ tan giảm): TiO2 + H2SO4 = H2[TiO(SO4)] + H2O (1.3) Khi có mặt của SO42- dư, các muối TiOSO4 và Ti(SO4)2 chuyển sang Ti2(SO4)3 bền. Vì thế thực nghiệm khó điều chế dung dịch TiOSO4 nồng độ tương đối lớn từ phản ứng trực tiếp TiO2 với H2SO4 hay HCl. TiO2 tác dụng với một số chất khác như axít HF hoặc với kali bisunfat (K2SO4) nóng chảy. TiO2 + 6HF = H2TiF6 + 2H2O (1.4) TiO2 + 4NaHSO4 = Ti(SO4)2 + 2Na2SO4 + 2H2 (1.5) TiO2 + 4KHSO4 = Ti(SO4)2 + 2K2SO4 + 2H2O (1.6) Ở nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và ôxít kim loại để tạo thành các muối titanat.3 Một số tính chất vật lý đặc trƣng của vật liệu nano TiO2 1.1 Tính chất nhiệt của vật liệu nano TiO2 Khi được nung nóng, sự chuyển pha giữa các cấu trúc sau đây đã được ghi nhận: anatase chuyển thành brookite sau đó thành rutile [17,31,49]; brookite chuyển thành anatase sau đó thành rutile [70]; anatase thành rutile và brookite thành rutile [35].

Tuy nhiên, nhiệt độ chuyển pha của TiO2 không được xác định rõ ràng. Nhiệt độ chuyển pha của TiO2 phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, tiền chất tạo mẫu, kích thước, hình dạng của mẫu, tạp chất pha vào mẫu [30].