Luận án tiến sĩ vật lý kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp tính chất TiO2 đơn pha và ứng dụng trong nanocomposite PPy-TiO2

• Tác giả: Nguyễn Trọng Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Dương Ngọc Huyền
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu TiO2 đơn pha trong chế tạo nanocomposite PPy-TiO2
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
• 1.1. TiO2 và ứng dụng
• 1.2. Cấu trúc của vật liệu TiO2
• 1.3. Phản ứng quang xúc tác
• 1.4. Chế tạo vật liệu nano TiO2
• 1.5. Ứng dụng của vật liệu TiO2
• 1.6. Tình hình nghiên cứu
• 1.7. Nanocomposite nền polyme dẫn điện và ứng dụng
• 1.8. Giới thiệu vật liệu nanocomposite
• 1.9. Giới thiệu Polyme dẫn
• 1.10. Chế tạo vật liệu Polyme dẫn
• 1.11. Nanocomposite nền polyme dẫn
• 1.12. Ứng dụng của nanocomposite nền PPy
• 1.13. Tình hình nghiên cứu
• 1.14. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.1. Tổng hợp vật liệu
• 2.2. Chế tạo vật liệu nano TiO2
• 2.3. Chế tạo vật liệu Polyme dẫn
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu hình thái và cấu trúc của vật liệu
• 2.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 2.6. Hiển vi điện tử quét
• 2.7. Hiển vi điện tử truyền qua
• 2.8. Phổ Hồng ngoại
• 2.9. Phổ tán xạ Raman
• 2.10. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện, nhiệt của vật liệu
• 2.11. Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường lên độ dẫn
• 2.12. Khảo sát tính chất nhiệt của vật liệu
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ TẠO THÀNH PHA VẬT LIỆU TiO2
• 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ HCl trong môi trường phản ứng
• 3.2. Kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Kết quả phổ tán xạ Raman
• 3.4. Kết quả khảo sát hiển vi điện tử
• 3.5. Vật liệu TiO2 huyền phù
• 3.6. Vật liệu TiO2 kết tủa
• 3.7. Vật liệu TiO2 pha anatase và rutile
• 3.8. Quá trình chuyển pha
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE PPy/TiO2
• 4.1. Kết quả hiển vi điện tử
• 4.2. Vật liệu nanocomposite PPy/TiO2 pha anatase
• 4.3. Vật liệu nanocomposite PPy/TiO2 pha rutile
• 4.4. Khảo sát phổ tán xạ Raman, FTIR, UV-Vis
• 4.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường lên độ dẫn
• 4.6. Ảnh hưởng của khí oxy
• 4.7. Ảnh hưởng của tia tử ngoại
• 4.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 4.9. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Vật liệu TiO2 và ứng dụng

Vật liệu TiO2 là một trong những vật liệu vô cơ được nghiên cứu rộng rãi do tính chất quang và điện hóa đặc biệt. TiO2 tồn tại ở hai dạng thù hình phổ biến là anatase và rutile, mỗi dạng có cấu trúc tinh thể và tính chất điện tử khác nhau. Vật liệu TiO2 kích thước nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác quang, pin mặt trời, và cảm biến khí. Việc tổng hợp vật liệu TiO2 đơn pha với kích thước nano là một vấn đề quan trọng, giúp tối ưu hóa tính chất và ứng dụng của vật liệu này.

1.1. Cấu trúc của vật liệu TiO2

Cấu trúc tinh thể của vật liệu TiO2 bao gồm hai pha chính là anatase và rutile. Anatase có cấu trúc tứ diện, trong khi rutile có cấu trúc bát diện. Sự khác biệt về cấu trúc dẫn đến sự khác biệt về tính chất điện tử và quang học của hai pha này. Anatase thường được ưa chuộng trong các ứng dụng xúc tác quang do có vùng cấm năng lượng rộng hơn so với rutile.

1.2. Phản ứng quang xúc tác

Vật liệu TiO2 có khả năng xúc tác quang học mạnh mẽ, đặc biệt là trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ dưới ánh sáng UV. Cơ chế của phản ứng quang xúc tác liên quan đến sự tạo thành các gốc tự do như OH* và O2-, giúp phân hủy các chất ô nhiễm. TiO2 cũng được sử dụng trong các ứng dụng làm sạch nước và không khí.

II. Tổng hợp vật liệu TiO2 đơn pha

Tổng hợp vật liệu TiO2 đơn pha là một quá trình quan trọng để đảm bảo tính chất đồng nhất của vật liệu. Phương pháp thủy phân được sử dụng phổ biến do quy trình đơn giản và hiệu quả. Bằng cách kiểm soát các thông số như nồng độ, nhiệt độ, và thời gian phản ứng, có thể tạo ra vật liệu TiO2 với kích thước nano và cấu trúc pha mong muốn.

2.1. Chế tạo vật liệu nano TiO2

Quá trình chế tạo vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp thủy phân bao gồm các bước như hòa tan tiền chất, thủy phân, và kết tủa. Việc kiểm soát nồng độ HCl trong môi trường phản ứng là yếu tố quan trọng để đạt được vật liệu TiO2 đơn pha. Kết quả phân tích bằng giản đồ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman cho thấy sự hình thành của các pha anatase và rutile.

2.2. Ảnh hưởng của nồng độ HCl

Nồng độ HCl trong môi trường phản ứng có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành pha của vật liệu TiO2. Khi nồng độ HCl tăng, tỷ lệ pha rutile tăng lên, trong khi nồng độ HCl thấp hơn ưu tiên hình thành pha anatase. Điều này được chứng minh qua các kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman.

III. Nanocomposite PPy TiO2

Nanocomposite PPy-TiO2 là vật liệu lai ghép giữa polypyrrole (PPy) và vật liệu TiO2. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có tính chất điện và quang học vượt trội so với các vật liệu ban đầu. PPy là một polyme dẫn điện có tính chất ổn định và dễ tổng hợp, trong khi TiO2 có tính chất quang xúc tác mạnh. Sự tương tác giữa hai thành phần này làm thay đổi tính chất điện và quang học của vật liệu tổng hợp.

3.1. Chế tạo nanocomposite PPy TiO2

Quá trình chế tạo nanocomposite PPy-TiO2 bao gồm việc trùng hợp PPy trong sự hiện diện của vật liệu TiO2. Các phương pháp phân tích như hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để xác định cấu trúc và hình thái của vật liệu. Kết quả cho thấy sự phân bố đồng đều của TiO2 trong nền PPy.

3.2. Ứng dụng của nanocomposite PPy TiO2

Nanocomposite PPy-TiO2 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như cảm biến khí, pin mặt trời, và xúc tác quang. Tính chất điện và quang học của vật liệu này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ lệ thành phần PPy và TiO2. Điều này mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển các ứng dụng thực tiễn.