Nghiên Cứu Vật Liệu Nano TiO2 và Ứng Dụng Trong Môi Trường

Titanium dioxide hay còn gọi là titan (IV) oxit hay titania, là oxit có nguồn gốc tự nhiên của titan. Khi được sử dụng như là một loại chất màu sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất sơn, mỹ phẩm, thực phẩm. TiO2 là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng. TiO2 là một trong những vật liệu cơ bản trong ngành công nghệ nano bởi nó có các tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt, cấu trúc bền và không độc, thân thiện với môi trường mà giá thành lại rẻ.

TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic). Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi ion Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Hai pha này cũng được sử dụng trong thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác.

Khi bị kích thích với năng lượng thích hợp, các electron trên vùng hóa trị có thể nhảy lên vùng dẫn và hình thành một lỗ trống trên vùng hóa trị. Cặp electron dẫn trên vùng dẫn và lỗ trống trên vùng hóa trị là hạt tải điện chính của chất bán dẫn. Trong xúc tác quang, khi chất bán dẫn bị kích thích bởi một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm thì một cặp electron – lỗ trống được hình thành. Thời gian sống của lỗ trống và electron dẫn là rất nhỏ, cỡ nano giây.

Xác suất và tốc độ của quá trình oxi hóa và khử của các electron và lỗ trống phụ thuộc vào vị trí bờ vùng dẫn, vùng hóa trị và thế oxi hóa khử của tiểu phân hấp phụ. Trong xúc tác quang, TiO2 là một xúc tác lý tưởng vì nó bền về mặt hóa học và lỗ trống sinh ra trong TiO2 có tính oxi hóa cao. Thế oxi hóa của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO2 là + 2,53V so với thế điện cực chuẩn của điện cực hydro, trong dung dịch nước pH = 7.

Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hydro (thế chuẩn là 0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một thế khử mạnh hơn. Điều này cho thấy rằng ở anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2-, sự hình thành các gốc OH● và O2- được minh họa ở Hình 1. Các gốc H0● có tính oxi hóa mạnh không chọn lọc nên khi có mặt TiO2 làm xúc tác...

Một cách tiếp cận để tăng hiệu suất quang xúc tác của vật liệu TiO2 là pha tạp với nguyên tố kim loại hoặc phi kim đã được nghiên cứu khá nhiều. Cách tiếp cận khác là dùng chất đồng xúc tác, kỹ thuật này dựa trên việc tạo hỗn hợp composite của TiO2 với các chất bán dẫn khác. Thực tế, đã có một số công trình nghiên cứu liên quan đến việc biến tính TiO2 bằng các oxit kim loại như Ag2O, Cu2O, CuO, NiO, SnO2, V2O5, WO3, Fe2O3, ZrO2, In2O3, Ta2O5, ZnFe2O4 cho mục đích quang xúc tác xử lý môi trường.

Kết quả cho thấy dùng chất đồng xúc tác là tiếp cận rất hiệu quả để hạn chế sự tái tổ hợp nhanh của electron kích thích và lỗ trống mang điện dương (h+), tăng thời gian “sống” của các hạt mang điện và tăng cường sự di chuyển electron ở bề mặt tiếp giáp với chất hấp phụ. Tuy nhiên, những nghiên cứu về sự tăng cường hoạt tính của TiO2 cho ứng dụng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ bằng các oxit bán dẫn như Ag2O, COO, La2O3, đặc biệt là với COO và La2O3 là chưa nhiều.

Hơn nữa, việc nghiên cứu biến tính TiO2 bằng 3 loại oxit khác nhau trong cùng điều kiện, cùng mục đích xử lý một loại chất hữu cơ độc hại sẽ phần nào cho chúng ta nhận thấy có hay không sự ảnh hưởng khác nhau của các chất đồng xúc tác khác nhau đến hoạt tính quang hóa xúc tác của TiO2. Nguyên nhân gây ra sự khác nhau nếu có là gì? Nên sử dụng loại oxit bán dẫn nào để làm chất đồng xúc tác cho hệ quang xúc tác TiO2.

TiO2 được sử dụng để xử lý ion kim loại độc hại ô nhiễm nguồn nước. Đồng thời, Giới thiệu về các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác. Cụ thể, ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác sử dụng trong phản ứng, ảnh hưởng của nồng độ đầu của chất hữu cơ, ảnh hưởng của các ion lạ có trong dung dịch.

TiO2 cũng được sử dụng rộng rãi trong việc làm sạch không khí, đặc biệt là khử các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và các chất gây ô nhiễm khác. Trong khử trùng, TiO2 có khả năng diệt khuẩn, virus và nấm, làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng trong các sản phẩm kháng khuẩn và khử trùng.

Vật liệu nano TiO2 cũng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Nó được sử dụng trong pin mặt trời để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Với khả năng hấp thụ ánh sáng UV và visible, TiO2 có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, góp phần vào việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo sạch.

Kết quả nhiễu xạ tia X (XГD) cho thấy các mẫu tổng hợp đều chứa pha anatase của TiO2. Phổ EDX của các mẫu biến tính xác nhận sự có mặt của Ag, Co và La tương ứng. Ảnh TEM cho thấy các hạt nano TiO2 có kích thước đồng đều và phân bố tốt. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (DГS) cho thấy sự thay đổi trong khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 sau khi biến tính.

Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của các vật liệu cho thấy sự hấp phụ Rhodamine B trên bề mặt các vật liệu đạt trạng thái cân bằng sau khoảng 30 phút. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB theo thời gian của vật liệu 1%Aǥ20/Ti02 đạt hiệu quả cao nhất. Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất quang xúc tác của các vật liệu cho thấy hiệu quả phân hủy RhB cao nhất ở pH = 3 cho vật liệu 1%Aǥ20/Ti02 và 0,5%COO/Ti02, và ở pH = 5 cho vật liệu 0,5%La203/Ti02.

Cần nghiên cứu thêm về độ ổn định và độc tính của nano TiO2. Đặc biệt quan trọng là các nghiên cứu về ứng dụng của nano TiO2 trong y học và mỹ phẩm, những lĩnh vực mà sự tiếp xúc trực tiếp với cơ thể là rất lớn.

Việc phát triển các phương pháp tổng hợp xanh sẽ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Hơn nữa, việc sử dụng các vật liệu nanocomposite TiO2 sẽ giúp tăng cường hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

Nghiên cứu sâu hơn các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác của TiO2. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, tìm kiếm các chất pha tạp và đồng xúc tác mới và nghiên cứu cơ chế phản ứng chi tiết.