Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất titan đioxit nano biến tính bằng nitơ

Titan đioxit (TiO2) là một chất bán dẫn quan trọng với dải trống năng lượng của rutile là 3.05 eV và của anatase là 3.25 eV, cho phép thực hiện các phản ứng quang xúc tác. Khả năng quang xúc tác của TiO2 được thể hiện qua ba hiệu ứng chính: quang khử nước trên điện cực TiO2, tạo bề mặt siêu thấm nước và quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ dưới ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, việc sử dụng TiO2 trong xử lý môi trường bị hạn chế do phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời chỉ chiếm khoảng 4%. Do đó, nghiên cứu nhằm giảm năng lượng vùng cấm của TiO2 là cần thiết để mở rộng khả năng sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính TiO2 bằng các ion kim loại và không kim loại có thể cải thiện tính chất quang xúc tác của vật liệu này.

TiO2 tồn tại dưới bốn dạng thù hình: anatase, rutile, brookite và dạng vô định hình. Rutile là dạng bền phổ biến nhất, có cấu trúc mạng lưới tứ phương, trong khi anatase và brookite là các dạng giả bền. Cấu trúc mạng lưới tinh thể của TiO2 được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6. Sự chuyển pha từ anatase sang rutile xảy ra ở nhiệt độ trên 450°C và bị ảnh hưởng bởi các điều kiện tổng hợp và tạp chất. Nghiên cứu cho thấy rằng kích thước hạt và sự hiện diện của các pha khác như brookite có thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển pha này.

Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của TiO2 kích thước nano rất quan trọng trong việc xác định ứng dụng của nó. Các tính chất điện, quang và quang điện của TiO2 phụ thuộc vào cấu trúc của nó. Việc hấp thụ ánh sáng trong TiO2 diễn ra thông qua sự chuyển electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB). Tuy nhiên, dải trống rộng của TiO2 (3.05 eV đối với rutile và 3.25 eV đối với anatase) hạn chế khả năng quang học của nó. Do đó, việc biến tính TiO2 bằng các nguyên tố khác nhằm thu hẹp dải trống và cải thiện tính chất quang là một hướng nghiên cứu quan trọng.

TiO2 biến tính nitơ được đánh giá là chất xúc tác quang hóa hiệu quả trong việc xử lý môi trường. Nó có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm và diệt khuẩn, nhờ vào sự hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Ngoài ra, TiO2 còn được ứng dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, xử lý ion kim loại nặng trong nước, và chế tạo pin mặt trời. Việc biến tính nitơ không chỉ cải thiện hoạt tính quang xúc tác mà còn mở rộng khả năng hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy, từ đó nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

Có nhiều phương pháp điều chế TiO2 biến tính nitơ, bao gồm sol-gel, phản ứng pha rắn, và thủy nhiệt. Phương pháp sol-gel được sử dụng phổ biến, trong đó nguồn nitơ có thể là (NH4)2CO3 hoặc NH3. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tỉ lệ N/Ti có ảnh hưởng lớn đến kích thước tinh thể và hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Các mẫu TiO2 biến tính nitơ cho thấy hoạt tính cao hơn trong việc phân hủy các chất hữu cơ dưới ánh sáng nhìn thấy, nhờ vào sự cải thiện trong khả năng hấp phụ và sự phân tách cặp electron-lỗ trống.