Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano TiO2 ứng dụng trong sản phẩm tự làm sạch

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 ứng dụng trong sản phẩm tự làm sạch, góp phần phát triển công nghệ vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Kiều Vân
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Mậu Chiến
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu & Linh kiện Nano
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano TiO2 ứng dụng trong các sản phẩm tự làm sạch
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu nano TiO2 tự làm sạch

Vật liệu nano TiO2 đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực công nghệ nano. Với khả năng tự làm sạch, TiO2 không chỉ mang lại lợi ích cho môi trường mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá các tính chất và ứng dụng của TiO2 trong các sản phẩm tự làm sạch, từ đó mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu.

1.1. Vật liệu nano TiO2 và tính năng tự làm sạch

TiO2 là một vật liệu bán dẫn có khả năng tự làm sạch nhờ vào tính chất quang xúc tác. Khi được chiếu sáng, TiO2 có thể phân hủy các chất bẩn hữu cơ, giúp bề mặt luôn sạch sẽ. Tính năng này đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, y tế và công nghiệp.

1.2. Lịch sử nghiên cứu vật liệu TiO2

Lịch sử nghiên cứu TiO2 bắt đầu từ những năm 1960 với các nghiên cứu về tính chất quang điện hóa. Phát hiện của Honda-Fujishima vào năm 1972 về khả năng phân tách nước trên bề mặt TiO2 đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, từ quang xúc tác đến ứng dụng trong sản phẩm tự làm sạch.

II. Thách thức trong ứng dụng vật liệu nano TiO2

Mặc dù vật liệu nano TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng việc ứng dụng nó trong thực tế vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất, độ bền của lớp phủ và khả năng duy trì tính năng tự làm sạch là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Chi phí sản xuất vật liệu nano TiO2

Chi phí sản xuất vật liệu nano TiO2 vẫn còn cao so với các vật liệu truyền thống. Điều này hạn chế khả năng tiếp cận của các sản phẩm sử dụng TiO2 trong thị trường tiêu dùng. Cần có các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí.

2.2. Độ bền và khả năng duy trì tính năng tự làm sạch

Một trong những thách thức lớn nhất là độ bền của lớp phủ TiO2. Các sản phẩm cần phải duy trì tính năng tự làm sạch trong thời gian dài, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu về các phương pháp cải thiện độ bền của lớp phủ là rất cần thiết.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và tính năng của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo TiO2

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo vật liệu nano TiO2. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt TiO2, từ đó cải thiện tính năng quang xúc tác của vật liệu.

3.2. Phương pháp phun nhiệt trong sản xuất TiO2

Phương pháp phun nhiệt cũng được sử dụng để sản xuất TiO2 với kích thước hạt nhỏ và đồng đều. Phương pháp này có thể tạo ra các lớp phủ TiO2 với độ bám dính cao, phù hợp cho các ứng dụng trong xây dựng và trang trí.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano TiO2

Vật liệu nano TiO2 đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xây dựng đến y tế. Các sản phẩm tự làm sạch từ TiO2 không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và công sức mà còn bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng dụng trong xây dựng và vật liệu xây dựng

TiO2 được sử dụng trong các sản phẩm gạch ốp lát và kính xây dựng, giúp bề mặt luôn sạch sẽ và giảm thiểu công việc vệ sinh. Các sản phẩm này không chỉ mang lại tính thẩm mỹ mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng trong y tế và bảo vệ sức khỏe

Vật liệu nano TiO2 cũng được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực y tế, như trong sản xuất khẩu trang diệt khuẩn và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe. Tính năng diệt khuẩn của TiO2 giúp bảo vệ sức khỏe con người trong môi trường ô nhiễm.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu nano TiO2

Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano TiO2 trong sản phẩm tự làm sạch đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Với những lợi ích vượt trội, TiO2 hứa hẹn sẽ trở thành một phần quan trọng trong các sản phẩm công nghệ cao trong tương lai.

5.1. Triển vọng phát triển vật liệu nano TiO2

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ nano, vật liệu TiO2 sẽ tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến. Các ứng dụng mới trong lĩnh vực môi trường và sức khỏe sẽ được khai thác, mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

5.2. Tương lai của sản phẩm tự làm sạch

Sản phẩm tự làm sạch từ vật liệu nano TiO2 sẽ ngày càng trở nên phổ biến. Nhu cầu về các sản phẩm thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên phát triển của công nghệ vật liệu hiện đại, việc duy trì độ bền và tính thẩm mỹ cho các công trình kiến trúc cao tầng đặt ra bài toán kinh tế và kỹ thuật cấp bách. Một tòa nhà cao ốc 30 tầng với diện tích hàng chục nghìn mét vuông kính mặt dựng và gạch ốp lát đòi hỏi chi phí nhân công lau chùi định kỳ vô cùng tốn kém cùng nguy cơ mất an toàn lao động rất lớn. Bên cạnh đó, các chất tẩy rửa công nghiệp thải ra môi trường hàng năm gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng do thiếu khả năng tự phân giải sinh học. Kể từ phát hiện mang tính lịch sử về hiệu ứng Honda-Fujishima vào năm 1972 công bố trên tạp chí Nature về khả năng phân tách nước quang điện hóa trên điện cực titan dioxide, vật liệu nano TiO2 đã mở ra bước ngoặt đột phá cho công nghệ tự làm sạch bề mặt.

Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm mục tiêu làm chủ công nghệ tổng hợp sol-gel và chế tạo thành công lớp màng nano TiO2 trên đế thủy tinh và gạch men ceramic. Mục tiêu cụ thể là tạo ra lớp màng mỏng có độ bám dính vượt trội, độ truyền qua quang học cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy, đồng thời tích hợp đồng thời ba đặc tính ưu việt: quang xúc tác phân hủy chất bẩn, siêu ưa nước chống đọng sương và khả năng diệt khuẩn bề mặt.

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu thể hiện qua việc mở ra giải pháp nội địa hóa công nghệ phủ men thông minh cho ngành sản xuất vật liệu xây dựng. Trên thị trường quốc tế, các sản phẩm sứ vệ sinh phủ men nano kháng khuẩn từ Nhật Bản hay Đức thường có giá thành đắt gấp 2 đến 3 lần so với sản phẩm truyền thống. Ứng dụng thành công lớp phủ TiO2 giúp giảm thiểu hơn 60% chi phí vệ sinh bảo dưỡng ngoại thất, đồng thời tăng cường khả năng quang hóa loại bỏ các loại khí độc hại như CO, NOx và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong không khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc vùng năng lượng bán dẫn (Bandgap Theory) và nhiệt động học bề mặt tiếp xúc. Titan dioxide là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm Eg xấp xỉ 3.2 eV đối với dạng thù hình anatase (kích hoạt bởi photon tia tử ngoại bước sóng ngắn hơn 388 nm) và 3.0 eV đối với dạng thù hình rutile. Khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn vùng cấm, các điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống quang sinh.

Lý thuyết thấm ướt bề mặt dựa trên phương trình Young và mô hình hiệu chỉnh Wenzel giải thích sự chuyển biến trạng thái của màng phủ. Dưới tác dụng của bức xạ cực tím, các lỗ trống oxy hóa anion oxy bắc cầu làm giải phóng nguyên tử oxy, tạo nên các khoảng trống oxy bề mặt. Các phân tử nước liên kết vào vị trí này tạo thành nhóm hydroxyl hấp phụ làm tăng mạnh năng lượng bề mặt, khiến góc tiếp xúc giọt nước giảm từ trên 70° xuống dưới 10°, tạo nên hiệu ứng siêu ưa nước.

Khung lý thuyết quang hóa xác định các gốc hydroxyl tự do mang thế oxy hóa cực cao đạt 2.80 V, vượt trội hơn nhiều so với ozone (2.07 V), hydro peroxide (1.77 V) hay chlorine (1.36 V). Đồng thời, cơ chế diệt khuẩn sinh học được củng cố qua phản ứng Fenton nội bào, khi hydro peroxide khuếch tán qua màng tế bào vi khuẩn E. coli và phản ứng với ion Fe2+ tạo ra các gốc tự do hydroxyl phá hủy chuỗi xoắn ADN và màng tế bào.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng quy trình hóa keo sol-gel từ các tiền chất alkoxide kim loại bao gồm titanium ethoxide và titanium propoxide. Quá trình sol-gel trải qua các giai đoạn cơ bản: thủy phân tạo nhóm Ti-OH, ngưng tụ tạo liên kết mạng không gian ba chiều Ti-O-Ti, gel hóa, định hình và xử lý nhiệt thiêu kết. Tỷ lệ mol nước trên tiền chất được kiểm soát nghiêm ngặt ở mức R = 8/3 kết hợp chất hoạt động bề mặt tạo xốp polyethylene glycol. Các tác nhân tạo phức chelate như diethanolamine, triethanolamine và acetylacetone được sử dụng để khống chế tốc độ thủy phân.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 45 mẫu thử nghiệm chuẩn hóa, trong đó có 30 mẫu đế kính thủy tinh silicat và 15 mẫu xương gạch ceramic kích thước tiêu chuẩn 300x300 mm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng dựa trên các điều kiện gia công nhiệt độ thiêu kết (từ 200°C đến 600°C) và số lớp màng phủ.

Kỹ thuật tạo màng sử dụng phương pháp phủ quay (spin coating) và phủ nhúng (dip coating) tuân theo mô hình lưu biến học Meyerhofer. Lý do lựa chọn phương pháp sol-gel kết hợp phủ quay là khả năng đồng nhất hóa vật liệu ở cấp độ phân tử, kiểm soát chính xác chiều dày màng từ vài chục nanomet đến 10 micromet, đồng thời nhiệt độ thiêu kết kết khối chỉ dao động trong khoảng 400°C đến 500°C, thấp hơn rất nhiều so với mức nhiệt độ trên 1200°C của công nghệ gốm sứ truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm mang lại nhiều kết quả định lượng nổi bật về cấu trúc và tính chất quang học của màng nano TiO2:

Thứ nhất, phân tích cấu trúc vi mô cho thấy sự chuyển biến pha tinh thể hoàn hảo sang dạng anatase tinh khiết ở nhiệt độ thiêu kết từ 450°C đến 500°C. Pha anatase có khả năng tạo ra các gốc tự do hoạt tính cao hơn dạng rutile khoảng 35% đến 40% do vị trí đáy vùng dẫn nằm cách xa thế oxy hóa khử của hydro hơn, gia tăng thế khử đối với các hợp chất bám bẩn.

Thứ hai, đặc tính quang xúc tác siêu ưa nước đạt hiệu suất tối ưu dưới nguồn kích thích UV-A bước sóng 365 nm. Góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt màng ban đầu đạt khoảng 72° đã giảm nhanh xuống dưới 5° chỉ sau 30 phút chiếu xạ liên tục. Khi ngưng chiếu sáng, bề mặt vẫn duy trì trạng thái ưa nước với góc tiếp xúc dưới 10° trong thời gian hơn 48 giờ.

Thứ ba, hiệu suất phân hủy quang học đối với các chất hữu cơ và khả năng diệt khuẩn đạt tỷ lệ tiêu diệt trên 92% đối với chủng vi khuẩn E. coli sau 60 phút phơi sáng. Chuỗi phản ứng oxy hóa khử tạo gốc hydroxyl 2.80 V đã phá vỡ hoàn toàn cấu trúc lipid màng ngoài và vô hiệu hóa quá trình trao đổi chất của vi khuẩn.

Thứ tư, lớp màng mỏng chế tạo bằng phương pháp phủ quay có độ dày đồng đều trong khoảng 150 đến 250 nm, đạt độ truyền qua quang học trong vùng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng từ 400 đến 800 nm) vượt mức 85%, đảm bảo độ trong suốt tuyệt đối khi ứng dụng trên kính xây dựng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiện tượng siêu ưa nước xuất phát từ sự tương tác hiệp đồng giữa cấu trúc lỗ xốp nano do phụ gia polyethylene glycol tạo ra và quá trình quang sinh các lỗ trống oxy hóa. Khi bức xạ UV chiếu vào, các gốc hydroxyl phân bố dày đặc trên bề mặt làm giảm sức căng bề mặt theo phương trình Young-Wenzel, tạo điều kiện cho màng nước mỏng hình thành và cuốn trôi hoàn toàn bụi bẩn vô cơ cũng như hữu cơ.

Các dữ liệu thực nghiệm về động học biến thiên góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng (từ 0 đến 120 phút) và sự phụ thuộc của độ dày màng vào tốc độ quay ly tâm (từ 1000 đến 4000 vòng/phút) có thể được trình bày rõ nét thông qua biểu đồ đường tuyến tính và bảng đối chiếu phổ nhiễu xạ tia X. Biểu đồ này thể hiện rõ bước nhảy chuyển pha từ vô định hình sang tinh thể anatase ở 400°C và bắt đầu xuất hiện vết pha rutile khi nhiệt độ vượt quá 650°C.

So sánh với các công bố quốc tế, kết quả đạt được tương thích chặt chẽ với mô hình màng mỏng quang xúc tác hiện đại, chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng vào quy trình công nghệ sản xuất gạch ốp lát nung nhanh một lần trong lò con lăn ở dải nhiệt độ 1170°C đến 1200°C với chu kỳ nung từ 50 đến 55 phút.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và mở rộng khả năng thương mại hóa lớp phủ nano TiO2 tự làm sạch trong ngành công nghiệp vật liệu xây dựng, các giải pháp kỹ thuật và lộ trình triển khai cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa công thức dung dịch sol-gel bằng cách chuẩn hóa tỷ lệ chất tạo phức diethanolamine và chất hoạt động bề mặt polyethylene glycol. Mục tiêu là kiểm soát kích thước hạt keo đồng đều dưới 15 nm, nâng cao độ bền bám dính của màng lên thêm 25% trên đế gạch men ceramic trong thời hạn 6 tháng, do các kỹ sư phòng thí nghiệm công nghệ nano phụ trách.

Thứ hai, tích hợp lớp màng phủ TiO2 vào công nghệ tráng men lót engobe và nung nhanh 1 lần trong lò con lăn công nghiệp ở dải nhiệt độ 1170°C đến 1200°C trong chu kỳ nung 50 đến 55 phút. Giải pháp này giúp cắt giảm 30% chi phí sản xuất và tiết kiệm năng lượng thiêu kết, hướng tới hoàn thiện quy trình trong vòng 12 tháng do các nhà máy sản xuất gốm sứ chủ trì.

Thứ ba, mở rộng khả năng hấp thụ quang học của màng TiO2 từ vùng tử ngoại sang vùng ánh sáng khả kiến (chiếm khoảng 45% quang phổ mặt trời) bằng kỹ thuật pha tạp các phi kim như Nitrogen, Carbon hoặc kim loại chuyển tiếp. Target metric là hạ thấp độ rộng vùng cấm từ 3.2 eV xuống dưới 2.8 eV trong lộ trình nghiên cứu 18 tháng do viện nghiên cứu vật liệu chuyên ngành thực hiện.

Thứ tư, xây dựng quy chuẩn đánh giá độ bền cơ học của lớp phủ thông qua thử nghiệm mài mòn ma sát đạt trên 1000 chu kỳ lau chùi tiêu chuẩn. Phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất gạch ốp lát và kính xây dựng trong vòng 24 tháng nhằm hạ giá thành sản phẩm xuống thấp hơn 40% so với men kháng khuẩn nhập khẩu từ thị trường quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu rộng cho các nhóm độc giả chuyên ngành:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Khoa học Vật liệu, Vật lý Chất rắn và Công nghệ Nano: Luận văn cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về cơ chế phản ứng sol-gel, động học chuyển pha tinh thể anatase và phương pháp phân tích quang phổ bề mặt.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất gạch men, gốm sứ vệ sinh và kính xây dựng: Cung cấp tài liệu tham khảo trực tiếp về kỹ thuật pha chế men frit hóa hệ alumoborosilicate, cách thức phủ màng mỏng và thông số vận hành lò nung con lăn 1170°C - 1200°C.

Thứ ba, các kiến trúc sư, nhà thầu xây dựng công trình xanh và ban quản lý tòa nhà: Nắm vững cơ chế tự làm sạch và chống đọng sương của vật liệu phủ nano, từ đó đưa ra lựa chọn vật liệu mặt dựng tối ưu giúp cắt giảm 50% đến 60% chi phí vận hành và bảo trì bề mặt công trình.

Thứ tư, các chuyên gia môi trường và nhà phát triển thiết bị y tế: Vận dụng nguyên lý hoạt hóa quang xúc tác của các gốc tự do hydroxyl mang thế oxy hóa 2.80 V để thiết kế các hệ thống màng lọc không khí xử lý khí độc VOC và vật liệu khử khuẩn bề mặt trong bệnh viện.

Câu hỏi thường gặp

Cơ chế tự làm sạch của màng nano TiO2 hoạt động như thế nào trong thực tế?

Cơ chế tự làm sạch kết hợp đồng thời phản ứng quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước. Dưới ánh sáng mặt trời chứa tia tử ngoại, TiO2 phân hủy các chất bẩn hữu cơ bám trên bề mặt thành CO2 và H2O. Đồng thời, góc tiếp xúc giọt nước giảm xuống dưới 10° khiến nước mưa loang thành màng mỏng, dễ dàng luồn xuống dưới các hạt bụi bẩn vô cơ và cuốn trôi chúng hoàn toàn.

Tại sao pha tinh thể anatase lại có hoạt tính quang hóa vượt trội hơn pha rutile?

Mặc dù pha rutile có độ rộng vùng cấm 3.0 eV hẹp hơn anatase (3.2 eV) và hấp thụ được dải ánh sáng dài hơn, nhưng vị trí đáy vùng dẫn của anatase nằm ở mức năng lượng âm hơn nhiều so với thế khử hydro. Điều này mang lại cho anatase khả năng khử các hợp chất hữu cơ mạnh hơn, đồng thời hạn chế tỷ lệ tái hợp giữa điện tử và lỗ trống quang sinh.

Phụ gia polyethylene glycol đóng vai trò gì trong quá trình sol-gel?

Polyethylene glycol đóng vai trò là chất độn hữu cơ tạo khuôn cấu trúc lỗ xốp. Nhờ khả năng hòa tan tốt trong cồn và nước, các chuỗi polymer liên kết hydro với các oligomer vô cơ trong mạng gel. Khi gia nhiệt thiêu kết từ 400°C đến 500°C, polymer bị đốt cháy hoàn toàn, để lại hệ thống mao quản nano đồng đều giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc quang xúc tác.

Lớp màng nano TiO2 có bị suy giảm hoạt tính sau một thời gian ngưng chiếu sáng không?

Sau khi ngưng chiếu sáng UV, trạng thái siêu ưa nước của màng TiO2 sẽ suy giảm dần do sự tái hấp phụ các hợp chất hữu cơ trong không khí, nhưng vẫn duy trì góc tiếp xúc thấp dưới 15° trong vòng 48 đến 72 giờ. Khi được chiếu xạ ánh sáng trở lại, các gốc hydroxyl lại lập tức được tái sinh và đưa màng về trạng thái siêu ưa nước ban đầu.

Việc ứng dụng màng TiO2 lên quy trình sản xuất gạch ceramic hiện hữu có phức tạp không?

Quy trình phủ màng hoàn toàn có thể tích hợp trực tiếp vào dây chuyền nung nhanh một lần hiện hữu. Bằng cách phối chế màng TiO2 lên lớp men nền hoặc men in hoa trang trí trước khi đưa qua lò nung con lăn ở nhiệt độ 1170°C đến 1200°C trong chu kỳ 50 đến 55 phút, doanh nghiệp có thể sản xuất gạch tự làm sạch mà không cần đầu tư lại toàn bộ hạ tầng thiết bị.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2 kích thước đồng đều bằng phương pháp sol-gel từ tiền chất alkoxide với tỷ lệ mol nước R = 8/3 và chất tạo xốp polyethylene glycol.
• Làm chủ công nghệ chế tạo màng mỏng quang xúc tác trên nền kính và gạch ceramic với độ truyền qua quang học đạt trên 85% và độ bám dính cơ học vượt trội.
• Chứng minh tính chất siêu ưa nước với góc tiếp xúc giọt nước giảm dưới 5° và hiệu suất diệt khuẩn E. coli đạt trên 92% dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại.
• Đóng góp giải pháp khoa học mang tính thực tiễn cao, hỗ trợ ngành công nghiệp vật liệu xây dựng nội địa làm chủ công nghệ men thông minh tự làm sạch với giá thành cạnh tranh.
• Định hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc pha tạp phi kim nhằm mở rộng hoạt tính quang xúc tác sang vùng ánh sáng nhìn thấy và thử nghiệm trên quy mô công nghiệp lớn.

Hãy liên hệ trực tiếp với nhóm nghiên cứu hoặc tra cứu chi tiết toàn văn luận văn tại hệ thống thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội để cùng hợp tác chuyển giao công nghệ vật liệu nano thông minh vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 [2, 5, 6, 7, 9, 16, 18, 20, 21, 24] 1.1 Cấu trúc và tính chất vật lý Titan dioxide là một vật liệu rất cơ bản trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó được ứng dụng rất rộng rãi như một chất màu trắng (white pigment) trong công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm và sơn. TiO2 tồn tại trong tự nhiên ở ba dạng thù hình phân biệt là: anatase, rutile và brookite. Một cách tổng quát, vật liệu TiO2 là một bán dẫn có thể được kích hoạt hóa học bằng ánh sáng.

Tính hoạt tính quang này của TiO2 đã được biết đến gần 60 năm và hiện nay vẫn được nghiên cứu phát triển. TiO2 là loại vật liệu có hệ số chiết suất cao, độ trơ hóa học lớn, có màu không đáng kể. Với các tính chất trên TiO2 là một pigment lý tưởng và được sử dụng rất rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm. Mặc dù TiO2 chỉ hấp thụ xấp xỉ 5% lượng ánh sáng mặt trời chiếu đến mặt đất, nó vẫn là loại bán dẫn tốt nhất được biết đến với khả năng chuyển đổi hóa học và tích trữ năng lượng mặt trời lớn.

TiO2 có tính độc nhất riêng biệt do có hệ số chiết suất cao và độ truyền qua ở vùng ánh sáng nhìn thấy lớn. Tóm lại, vật liệu titan dioxide TiO2 có các tính chất cơ bản như sau: • Là một bán dẫn truyền qua trong vùng ánh sáng thấy được của dãi quang phổ. • Là loại vật liệu có độ xốp cao do vậy làm tăng cường mạnh diện tích bề mặt (~1000) lần. • Bề mặt của TiO2 có ái lực lớn đối với nhiều nguyên tử do đó cũng có thể dễ dàng định dạng bề mặt của nó.

• Là loại vật liệu có tính kinh tế, dễ dàng sản xuất với khối lượng lớn, độ trơ hóa học cao, không độc hại và mang tính tương hợp sinh học. TiO2 trên thị trường gồm hai loại cấu trúc tinh thể: anatase và rutile, ngoài ra TiO2 còn có một dạng thù hình khác ít phổ biến hơn là brookite. Dạng thù hình rutile có khối lượng riêng là: d = 4.2 g/cc; dạng anatase có d = 3. Sự khác biệt này được giải thích bởi sự khác biệt về cấu trúc tinh thể của chúng.

Cấu trúc tinh thể của rutile xếp chặt hơn cấu trúc của anatase do đó cũng có khối lượng riêng lớn hơn. So với hai dạng còn lại là rutile và brookite thì dạng anatase có hoạt tính quang học cao nhất. Dạng thù hình rutile có khả năng tán xạ ánh sáng tốt hơn, ổn định và bền hơn so với các dạng thù hình khác. Chính vì vậy dạng TiO2 được ứng dụng trong các sản phẩm công nghiệp thường là dạng thù hình rutile.

Dạng thù hình rutile cũng có khả năng hấp thu ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy hơn so với dạng thù hình anatase. Tổng quan LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 5 • Rutile: ƒ d = 4.02 eV ƒ Có cấu trức kiểu Bravais tứ phương, với các hình bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh. ƒ Độ bền và ổn định cao.1: Cấu trúc rutile.23 eV ƒ Có cấu trúc kiểu Bravais tứ phương, với các hình bát diện tiếp xúc cạnh với nhau và trục c bị kéo dài. ƒ Có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 03 loại Hình 1.2: Cấu trúc anatase.4 eV ƒ Hoạt tính quang hóa yếu nhất trong 03 loại.

ƒ Cấu trúc Bravais kiểu mạng tứ phương. Tổng quan LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 6 Hình 1.3: Cấu trúc Brooklite. ™ Tính chất bán dẫn của TiO2: Liên kết trong phân tử TiO2 là liên kết ion, trong đó các nguyên tử titanium và oxy trao đổi điện tử hóa trị cho nhau để trở thành các cation và anion. Liên kết xuất hiện giữa các ion trái dấu thông qua lực hút tĩnh điện.

Khi các nguyên tử titanium và oxygen tiến lại gần nhau, do tương tác mà giữa chúng có sự phân bố lại điện tử. Quá trình phân bố lại điện tử này 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 được lấp đầy điện tử. Khi tạo thành nguyên tử, mỗi nguyên tử titanium cho hai nguyên tử oxygen bốn điện tử để trở thành cation Ti4+, mỗi nguyên tử oxy nhận lại hai điện tử để trở thành anion O2-.4: Cấu hình điện tử biễu diễn theo vân đạo. Chính do sự phân bố lại điện tử này mà nguyên tử oxygen có phân lớp 2p được lấp đầy điện tử, nguyên tử titanium có phân lớp 4s hoàn toàn trống điện tử.

Khoảng cách giữa hai vùng 4s và 2p này lớn hơn 3eV như hình vẽ 1.5: Cấu trúc vùng của TiO2. Tổng quan LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 7 Với các chất mà vùng cho phép có đầy điện tử hoặc trống điện tử hoàn toàn thì ở nhiệt độ thấp chúng là những chất điện môi hoặc bán dẫn. Ở nhiệt độ T = 0 (K), vùng của mức năng lượng hóa trị trong chất điện môi và bán dẫn đều bị điện tử chiếm hoàn toàn. Vùng nằm trên vùng hóa trị hoàn toàn tự do, không chứa bất kì điện tử nào gọi là vùng dẫn.

Vùng hóa trị và vùng dẫn cách nhau bởi vùng cấm. Khi T ≠ 0 (K) một số điện tử tại vùng hóa trị do chuyển động nhiệt và trao đổi năng lượng có thể nhận năng lượng vượt qua độ rộng của năng lượng vùng cấm và chuyển mức lên vùng dẫn. Do độ rộng của vùng cấm của chất bán dẫn nhỏ hơn so với độ rộng vùng cấm của điện môi nên độ dẫn điện của chất bán dẫn cũng lớn hơn nhiều lần so với chất điện môi. Sự phân chia giữa chất bán dẫn và điện môi dựa vào độ rộng của vùng cấm, các chất có độ rộng vùng cấm bé hơn 2,5 eV thường được xếp là các chất bán dẫn, các chất có độ rộng vùng cấm 5 – 10 eV thường được xếp là các chất điện môi.

Đối với TiO2 có độ rộng vùng cấm là 3 eV ta có thể xem nó là một chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn và sử dụng lý thuyết bán dẫn để lý giải cho đặc tính hấp thụ quang của TiO2. Các hoạt tính của quang xúc tác nano TiO2 1. Tính chất tự làm (self – cleaning) Để tạo được khả năng tự làm sạch trên bề mặt vật liệu có hai phương pháp cơ bản dựa trên tính chất siêu ưa nước và siêu kị nước. ¾ Tính thấm ướt bề mặt Tính thấm ướt là một trong những tính chất quan trọng của một bề mặt rắn.

Tính thấm ướt của một bề mặt thông thường được đánh giá bằng việc xác định góc thấm ướt. Góc thấm ướt θ được định nghĩa là góc đo giữa bề mặt rắn và đường tiếp tuyến của pha lỏng tại vị trí giao tuyến giữa ba pha Hình 1.6: Góc tiếp xúc được định nghĩa theo phương trình Young. Với trường hợp đơn giản nhất, khả năng thấm ướt của bề mặt rắn thường được đánh giá bởi góc tiếp xúc được tính theo phương trình Young (1.1) γSV = γSL + γLV cosθ (1.1) Với γSV, γSL, γLV lần lượt là các năng lượng tự do bề mặt trên một đơn vị diện tích của các mặt tiếp tuyến giữa các pha Rắn/Khí, Rắn/Lỏng, Lỏng/Khí. Năng lượng bề mặt này tùy thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt đó.

Khi nhỏ một giọt nước lên trên bề mặt rắn có năng lượng bề mặt càng cao, thì hạt nước càng lan rộng, có nghĩa là góc tiếp xúc càng bé. Thông thường bề mặt kim loại có năng lượng bề mặt rất lớn, do đó các hạt nước hoàn toàn lan rộng trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên, với các bề mặt oxide kim loại thường có giá trị góc tiếp xúc là xác định. Tổng quan LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 8 Một bề mặt với năng lượng bề mặt lớn thì không ổn định về mặt nhiệt động học, vì thế sự hấp thu các hợp chất hữu cơ xảy ra để làm giảm năng lượng bề mặt đó.

Ví dụ như đối với một bề mặt kim loại sắt hoặc nhôm sẽ có khuynh hướng hấp thu phân tử oxy lên trên bề mặt của chúng và tạo thành lớp oxide kim loại trên bề mặt đó. Phương trình Young ở trên chỉ có thể áp dụng được với những bề mặt lý tưởng, tức là có độ đồng đều, cứng, không hòa tan và tuyệt đối bằng phẳng. Trong khi những bề mặt thực tế lại có độ gồ ghề bề mặt và độ không đồng đều bề mặt, do vậy không thể áp dụng phương trình Young để xác định góc tiếp xúc bề mặt. Wentzel đã hiệu chỉnh lại phương trình Young có kể đến độ gồ ghề bề mặt qua phương trình (1.2) dưới đây: cos θ' = γ cos θ (1.2) với θ' là góc tiếp xúc giả định, γ là tỉ lệ giữa độ gồ ghề bề mặt thực tế và bề mặt giả định.

Trong trường hợp bề mặt ưa nước, bề mặt càng gồ ghề, góc tiếp xúc càng nhỏ và ngược lại đối với bề mặt kị nước. ¾ Tính chất siêu kị nước Các vật liệu mang tính chất này có phản ứng khi gặp nước hoàn toàn trái ngược so với vật liệu ưa nước. Vật liệu kị nước, hay "ghét nước" ít hoặc không có khuynh hướng hấp thu nước lên bề mặt và có chiều hướng làm "nảy" các hạt nước khỏi bề mặt chứa nó. Các loại vật liệu kị nước mang giá trị ứng suất bề mặt thấp và thiếu đi những nhóm mang hoạt tính làm tăng khả năng tạo cầu nối hydro với nước về mặt hóa học.

Góc tiếp xúc đạt 00 có nghĩa là bề mặt hoàn toàn bị thấm ướt, và khi góc tiếp xúc là 1800 có nghĩa là bề mặt đó hoàn toàn không thấm ướt. Những bề mặt kị nước thường có khả năng thấm ướt kém và có góc tiếp xúc khoảng 1000. Giá trị của góc tiếp xúc càng lớn khả năng bám dính càng kém, và ngược lại giá trị của góc tiếp xúc nhỏ sẽ làm tăng khả năng bám dính trên bề mặt. Trái với vật liệu kị nước, vật liệu ưa nước có giá trị ứng suất bề mặt cao và có khả năng tạo ra cầu nối hydro với nước.

Ứng dụng tính kị nước này có thể tạo cho bề mặt tính chất tự làm sạch, hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng lá sen. Khi bề mặt mang tính kị nước, các giọt nước cũng như các hạt bẩn sẽ không thể bám dính trên bề mặt. Các hạt nước khi tiếp xúc với bề mặt ngay lập tức sẽ tạo thành dạng tròn và lăn khỏi bề mặt đồng thời cũng kéo theo các hạt bẩn bám trên bề mặt này.7: Hiệu ứng lá sen.