MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiN. Một số tính chất của vật liệu TiN.
Tính chất vật lý. Tính chất hóa học. Một số phương pháp chế tạo vật liệu TiN. Phương pháp tổng hợp TiN bởi phản ứng tự duy trì.
Phương pháp tổng hợp TiN bằng lò phản ứng nhiệt plasma nhiệt. Phương pháp tổng hợp TiN ở nhiệt độ thấp. Phương pháp nitơ hóa trực tiếp từ TiO2 (CVD nhiệt). Phương pháp tổng hợp TiN bằng kỹ thuật trào ngược.
Phương pháp tổng hợp TiN từ phản ứng titan và urê. Phương pháp tổng hợp TiN bằng cách giảm sự hidro hóa trong tiền chất cơ titan. Phương pháp tổng hợp TiN từ titan oxit với natri amit. Một số ứng dụng của vật liệu TiN.
Ứng dụng của vật liệu khối TiN. Ứng dụng của màng TiN. Ứng dụng của vật liệu nano TiN. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu.
Quy trình thực nghiệm. Quy trình chế tạo dây nano TiO2. Quy trình chế tạo vật liệu nano TiN. Các phương pháp phân tích mẫu.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM = Scanning Electron Microscopy). Phổ nhiễu xạ tia X (XRD = X-ray Diffraction). Phổ quang điện tử tia X (XPS = X-ray Photonelectron Spectroscopy) 25 2. Phổ hấp thụ UV-Vis.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Hình ảnh quang học của TiO2 và TiN ở các nhiệt độ khác nhau. Ảnh SEM của các mẫu được chế tạo. Ảnh SEM của mẫu TiO2 và TiN có cấu trúc hạt.
Ảnh SEM dây TiO2 tổng hợp và mẫu sau khi nung có cấu trúc dây. Phổ XRD của các mẫu được chế tạo. Phổ XPS của hạt nano TiN. Phổ UV-Vis của hạt nano TiN.
Khảo sát hóa hơi nước phân tán vật liệu TiN. Kết quả thí nghiệm. 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
57 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CMOS Complementary Metal-Oxide- Công nghệ vi mạch tích Semiconductor hợp CVD Chemical Vapor Depositio Phương pháp lắng đọng hơi hóa học IR Infrared rays Phổ hồng ngoại LSPs Local surface plasmon Sự cộng hưởng plasmonic bề mặt NaCl Natri clorua NaN3 Natri azua NaNH2 Natri amide NaNH3 Natri tetraamide NH3 Khí amoniac NIR Bức từ vùng cực tím đến hồng ngoại PVD Physical Vapor Depotion Phương pháp lắng đọng hơi vật lý PVP Poly (vinylpyrrolidone) SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SHS Tự tổng hợp nhiệt độ cao SSM Đường trạng thái rắn-hơi TiCl4 Titan tetraclorua TiO2 Titanium oxide TiN Titanium nitride UHV Chân không siêu cao UV Ultraviolet Bức xạ vùng tử ngoại UV-Vis Ultraviolet – Visible Phổ hấp thụ quang học WC Vonfram cacbua Vật liệu Vonfram Cacbua XPS X-ray Photoelectron Phổ quang điện tử tia X Spectroscopy XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC HÌNH Hình 1. Màu sắc vật liệu TiN ở dạng khối (a) và dạng nano (b). Cấu trúc mạng tinh thể TiN. Sự thay đổi nhiệt độ và khối lượng trong sự đốt cháy Ti trong Nitơ 6 Hình 1.
Sơ đồ lò phản ứng plasma nhiệt. Dụng cụ phủ lớp TiN tăng độ bền cơ và chống ăn mòn. Dụng cụ y tế và dụng cụ ăn uống phủ lớp mỏng TiN. Sơ đồ hệ chế tạo TiO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện.
Sơ đồ hệ chế tạo TiO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện. Sơ đồ lò ống LTF dùng để chế tạo TiN. Các thông số điều kiện chế tạo TiN. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét.
Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể. Quá trình phát quang điện tử. Các dây nano TiO2 ở các nhiệt độ nung và TiN thương mại. Các hạt nano TiO2 (kích thước 200 nm) ở các nhiệt độ nung và TiN thương mại.
Các hạt nano TiO2 (kích thước 20 nm) ở các nhiệt độ nung. 29 và TiN thương mại. TiO2 ở nhiệt độ nung 700 oC với các cấu trúc khác nhau. TiO2 ở nhiệt độ nung 900oC với các cấu trúc khác nhau và thương mại.
Ảnh SEM của hạt TiO2 (a) và hạt TiN ở nhiệt độ nung 900 oC (b) 31 Hình 3. Ảnh SEM của dây nano TiO2. Ảnh SEM của mẫu dây TiO2 nung ở nhiệt độ 700oC (a) và 900oC (b). Phổ XRD của dây TiO2 chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện 34 Hình 3.
Phổ XRD của mẫu dây nung ở nhiệt độ 900oC và TiN thương mại. Phổ XRD của dây TiO2 và TiN nung ở nhiệt độ 700 oC, 900 oC. Phổ XPS quét rộng của hạt TiN ở nhiệt độ nung 900 oC. Phổ XPS của Ti 2p (TiN).
Phổ XPS của N 1s (hình 3. Phổ UV-Vis của dây TiO2 và dây TiN chế tạo kích thước 200 nm (a) dây TiO2 và hạt TiN (b). Phổ UV-Vis của các mẫu TiN ở nhiệt độ 900 oC. Thí nghiệm của khảo sát hóa hơi nước sử dụng TiN.
Sơ đồ minh họa thí nghiệm của khảo sát hóa hơi nước sử dụng TiN. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc khối lượng nước bốc hơi vào nồng độ TiN. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng nước bốc hơi vào cấu trúc vật liệu ở nhiệt độ 700oC (a) và 900oC (b). Hiệu suất hóa hơi nước của dây TiN (a), hạt TiN 20 nm (b), hạt TiN (200 nm), hạt TiN 200 và TiN thương mại (d).
Sơ đồ minh họa cơ chế hóa hơi nước của TiN. 53 DANH MỤC BẢNG Bảng 3. Thông số đỉnh đặc trưng pha Anatase và Rutile của TiO2. Khối lượng nước bốc hơi theo nông độ TiN.
Khối lượng nước bốc hơi với vật liệu TiN 700oC. Khối lượng nước bốc hơi với vật liệu TiN 900oC. Khối lượng nước bốc hơi với TiN chế tạo và TiN thương mại. Tính cấp thiết của đề tài Vật liêu nano hiện nay không còn là một khái niệm xa lạ đối với mọi người, bởi vì sự có mặt của chúng trong cuộc sống hàng ngày từ y tế, môi trường, máy tính cho đến các ngành công nghiệp quân sự.
Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã quan tâm và đặt ra mục tiêu nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ nano như một đòn bẩy thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Ở Việt Nam, Hội thảo quốc tế (năm 2003) về “Khoa học và ứng dụng của Nano TiO2 cho môi trường bền vững” đã được tổ chức bởi Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học thuộc Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Điều này cho thấy nano TiO2 là vật liệu có rất nhiều ứng dụng, đã được các nhà khoa học quan tâm với những thành công đáng khích lệ, có rất nhiều công trình về vật liệu nano TiO2 được công bố trong và ngoài nước. Lí do TiO2 được các nhà khoa học ưu ái quan tâm như vậy bởi TiO2 là một vật liệu có tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt và có độ bền cao, thân thiện với môi trường, do đó titan đioxit có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo các loại thủy tinh, men và gốm chịu nhiệt, … Ở dạng hạt mịn kích thước nano mét TiO2 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như chế tạo pin mặt trời, sensor, ứng dụng làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự làm sạch, … Một vật liệu thay thế có thể tổng hợp từ vật liệu TiO2 có kích thước nano mét, cũng mang lại nhiều ứng dụng và đạt hiệu suất cao đó chính là titan nitrua (TiN), vật liệu này cũng được các nhà khoa quan học rất quan tâm trong thời gian gần đây.
Đặc biệt, với ứng dụng làm chất xúc tác cho quá trình hóa hơi nước đạt tốc độ cao, đẩy nhanh quá trình lọc nước biển thành nước ngọt trong 2 điều kiện thiếu nước ngọt ở Việt Nam nói chung và thế giới nói riêng, thì TiN là loại vật liệu đáng được quan tâm nghiên cứu. Nhận thấy được tiềm năng của vật liệu TiN, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu titan nitrua (TiN) có cấu trúc nano và khảo sát một số ứng dụng của chúng” để nghiên cứu. Hi vọng kết quả đề tài sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho bạn đọc, góp phần ứng dụng vào đời sống, xã hội. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đầu tiên đề tài đặt ra là chế tạo thành công vật liệu dây nano TiO2.
Sau đó sử dụng dây nano TiO2 này cùng với các mẫu nano TiO2 các cấu trúc khác để chế tạo ra vật liệu nano TiN. Và cuối cùng là khảo sát hiệu suất hóa hơi nước sử dụng vật liệu nano TiN vừa chế tạo. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu nano TiO2, TiN ở các hình thái khác nhau. - Trong thời gian và điều kiện cho chép, đề tài chế tạo vật liệu TiO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện và chế tạo TiN bằng phương pháp nung nhiệt trong môi trường khí NH3.
Sau đó dùng ảnh SEM, XRD, UV-Vis rắn để phân tích mẫu và dùng mẫu chế tạo khảo sát hiệu suất hóa hơi nước. Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài, tôi đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, tuy nhiên phương pháp chính là phương pháp thực nghiệm. - Phương pháp phun tĩnh điện dùng hệ electrospinning để chế tạo dây nano TiO2. 3 - Phương pháp nung nhiệt vật liệu trong môi trường khí NH3 đậm đặc dùng hệ CVD.
- Các phương pháp khảo sát mẫu như: Phổ UV-Vis, ảnh SEM, phổ XRD, XPS. - Khảo sát hiệu suất hóa hơi nước có dùng vật liệu TiN chế tạo được. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Với các mục tiêu, nhiệm vụ đặt ra như trên, đề tài mang nhiều ý nghĩa và đóng góp về mặt giáo dục và thực tiễn: - Dùng làm tài liệu tham khảo bổ ích cho bạn đọc, giúp người đọc có thêm cơ sở lý luận, kiến thức về phương pháp chế tạo vật liệu TiO2, TiN nói chung và các vật liệu khác nói chung. - Ứng dụng kết quả của đề tài vào việc xử lý môi trường, sản xuất nước sạch, giải quyết vấn đề thiếu nước sạch ở một số địa phương.
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiN 1. Một số tính chất của vật liệu TiN 1. Tính chất vật lý Titan nitrua (công thức hóa học là TiN) là hợp chất của titan và nitơ có khối lượng mol là 64,95 g/mol, là một chất không mùi, không độc hại. TiN có màu nâu vàng ở dạng khối, có màu đen khi ở cấu trúc nano.