CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu nano Khi nhắc đến Nano là ta đang nói đến một phần tỉ của cái gì đó. Ở đây Nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là Nano mét tức là một phần tỉ của một mét. Nói một cách rõ hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nm.
Hiện nay vật liệu Nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu Nano, chúng ta cần hiểu rõ hai khái niệm có liên quan là khoa học Nano và công nghệ Nano. - Khoa học Nano (Nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn (vật liệu khối).
- Công nghệ Nano (Nanotechnology) là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét. Vật liệu Nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học Nano và công nghệ Nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu Nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt Nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của Trái Đất.
Vật liệu Nano là loại vật liệu có kích thước khoảng từ 1-100 nm. Vật liệu Nano có thể được chế tạo, thiết kế theo cách tự nhiên, ngẫu nhiên hoặc nhân tạo. Vật liệu nano bao gồm các sản phẩm có chứa cacbon; các kim loại cấu trúc nano, hợp kim và chất bán dẫn; hạt nano gốm; polyme; nano composit; v ật liệu nung kết và sinh học. Ngoài ra còn có các loại vật liệu như nano dioxide titan, oxit nano kẽm, graphit, aerogel và nano bạc.
Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các 9 tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Do đó chúng có nh ững hiệu ứng mà các vật liệu khối không có như hiệu ứng giam giữ lượng tử, hiệu ứng plasmon bề mặt….
Chúng ta có thể lấy một ví dụ để hình dung như sau: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên t ử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác.
Vật liệu Nano được dự báo sẽ có tác động đáng kể đến nghiên cứu và các ứng dụng thương mại trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng đại diện cho một bước đột phá trong điều khiển vật chất ở phạm vi mà ở đó hình dạng và kích thước của các tập hợp nguyên tử đơn lẻ quyết định tính chất và chức năng của toàn bộ vật liệu và hệ thống, bao gồm cả các sinh vật sống. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể khai thác các hiệu ứng lượng tử, các đặc tính quang học, từ tính, điện và các tính chất độc đáo khác xuất hiện ở quy mô này của vật liệu. Các vật liệu Nano có tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt trên tổng số nguyên tử lớn.
Tỉ lệ bề mặt cao hơn làm tăng năng lượng bề mặt của các hạt, làm cho điểm nóng chảy hạ thấp hơn và khả năng phản ứng hóa học tăng. Ngày nay vật liệu nano được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực như: công nghiệp, khoa học máy tính, vũ trụ, công nghệ thực phẩm, y học, môi trường…. Lịch sử phát triển của quang xúc tác Quang xúc tác (Photocatalyst) là một nhánh trong ngành vật lý – hóa học có liên quan với các hiệu ứng hóa học của ánh sáng. Nói chung, thuật ngữ này được sử dụng để mô tả phản ứng hóa học do hấp thụ tia cực tím (có bước sóng từ 100 đến 400 nm), hấp thụ ánh sáng khả kiến (400 – 750 nm) hoặc bức xạ hồng ngoại (750 – 2500 nm).
Quang xúc tác ngày nay có rất nhiều ứng dụng trong việc xử lý môi trường, diệt khuẩn. Xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp về hóa chất. Tính riêng ở Mỹ có 75% sản phẩm và 90% các quá trình sản xuất hóa chất dựa vào xúc tác. Về khía cạnh lịch sử của khoa học này thì xúc tác quang đã tồn 10 tại từ thời cổ đại như quá trình lên mẹn rượu bằng xúc tác axit (1552).
Fulhame (năm 1794), Kirchhoff (năm 1812) cho thấy chất xúc tác không thay đ ổi trong phản ứng hóa học. Sau này những nghiên cứu phản ứng giữa oxi và hidro dưới xúc tác platin do Humphry Davy (1817), Erman (1 818), Doebereiner (1822). Phillips phát triển quá trình xúc tác thương mại đầu tiên, oxi hóa khí SO 2 trên xúc tác platin. Faraday nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý ban đầu, nhiễm độc và phục hồi xúc tác platin trên phản ứng của oxi và hydro.
Giai đoạn này kết thúc năm 1835 khi Berzelius phân tích hệ thống các kết quả và đưa ra thuật ngữ Catalysis, mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học xúc tác. Các phương pháp vật lý và hóa học chế tạo các cấu trúc nano Các hạt nano có thể được chế tạo bằng nhiều p hương p háp khác nhau. Tùy thuộc vào kĩ thuật chế tạo, môi trường nuôi cấy mà ta có các nano tinh th ể với các kích thước, độ bền hóa học và tính chất vật lý khác nhau. Có th ể nuôi cấy các nano tinh thể bán dẫn trong các dung dịch lỏng và polyme, trong các thủy tinh vô cơ hoặc các tinh thể rắn khác.
Có rất nhiều các phương pháp chế tạo các hạt nano bán dẫn khác nhau như: phương pháp sol – gel, nano tinh thể trong zeolite, màng thủy tinh-bán dẫn composite, các nano tinh thể chế tạo trong dung dịch hữu cơ và p olyme (phương pháp hóa ướt), phương pháp phân hủy các tiền chất hữu cơ-kim, p hương p háp micelle đảo chế tạo các nano tinh thể… Tuy nhiên, luận văn chỉ trình bày các phương pháp hóa học điển hình là phương pháp sol-gel và phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp sol-gel Quá trình sol-gel là quá trình chế tạo vật liệu vô cơ bằng cách hình thành các hạt keo ổn định từ chất dạng hạt đã chọn và thông qua việc gel hóa, hạt keo này biến thành tổ chức mạng ba chiều. Quá trình sol-gel là quá trình keo hóa tổng hợp làm ngưng tụ các hạt keo thu được, có khả năng thu vật liệu có trạng thái mong muốn. Quá trình này gồm hai phản ứng cơ bản, đầu tiên là p hản ứng thủy phân, sau đó là phản ứng polymer hóa đa ngưng tụ cùng với sự tiếp tục thủy phân.
Người ta thường dùng phương pháp này để chế tạo nano tinh thể trong thủy tinh xốp, thủy tinh xốp có thể chứa vật liệu bán dẫn với mật độ rất cao, chế tạo ít bị sai hỏng. Tuy nhiên, phương pháp này hiện nay đang gặp p hải một số vấn đề bất cập trong việc khống chế kích thước và tạo phân bố kích thước hẹp. Phương pháp thủy nhiệt - Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp nuôi tinh thể dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao từ các chất được không hòa tan ở điều kiện và áp suất thường (dưới nhiệt độ 100C và dưới áp suất 1 atm) [1]. - Phương pháp thủy nhiệt ra đời từ năm 1939, do nhà hóa học người Đức là Robert Bunsen đưa ra.
Ban đầu phương pháp này sử dụng để chế tạo các hạt đơn tinh thể, các khoáng chất chứa trong một bình chịu được áp suất và nhiệt độ cao, một gradient nhiệt độ ở hai đầu đối diện của bình được duy trì trong su ốt quá trình, ở đầu nóng hơn sẽ hòa tan các khoáng chất và ở đầu lạnh hơn các mầm đơn tinh thể bắt đầu được hình thành và phát triển [1]. - Cho tới nay, phương pháp này đã phát triển hơn rất nhiều so với phương p háp truyền thống, dung môi không còn hạn chế ở dung môi nước mà có thể sử dụng các dung môi hữu cơ, sử dụng thêm các chất hoạt động bề mặt v.v… với mục đích sử dụng để chế tạo các hạt có kích thước nhỏ như kích thước cỡ micro mét, nano mét v. Pha chế dung môi và khoáng chất Trộn đều dung dịch bằng máy khuấy từ Đặt các điều kiện về nhiệt độ, thời gian Đưa hỗn hợp đã trộn vào lò thủy nhiệt Lấy mẫu ra khỏi lò và xử lý mẫu: tách mẫu, rửa sạch, sấy khô - Các dụng cụ và thiết bị sử dụng được dùng là các dụng cụ đơn giản và dễ sử dụng như cốc, bình đựng, ống nghiệm, máy khuấy từ, lò nung (lò sấy), các dụng cụ rửa mẫu, máy ly tâm. Tình hình nghiên cứu trong nước về vật liệu quang xúc tác Tại Việt Nam, trong những năm gần đây có nhiều tập thể và cá nhân quan tâm đến vật liệu xúc tác quang như TiO 2, CuO, ZnO….
nhằm ứng dụng trong xử lý môi trường. Hướng nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất của vật liệu nano sử dụng được ánh sáng kích thích trong vùng nhìn thấy, đã được một số nhóm nghiên cứu trong nước tiến hành và đã đạt được một số kết quả nhất định. Nhóm nghiên cứu của PGS.