Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano TiO2 đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật lý chất rắn và công nghệ nano nhờ các tính chất quang xúc tác ưu việt, bền vững và thân thiện với môi trường. Theo ước tính, TiO2 có độ rộng vùng cấm khoảng 3,0-3,2 eV, chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, làm hạn chế ứng dụng trong quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời. Đề tài nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng vật liệu TiO2 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng nhằm mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng và nâng cao hiệu quả xúc tác quang. Mục tiêu cụ thể bao gồm tổng hợp vật liệu nano TiO2 cấu trúc cầu rỗng sử dụng khuôn cứng polystyrene (PS), biến tính bề mặt bằng các hạt nano vàng, khảo sát đặc trưng vật liệu và ứng dụng phân hủy kháng sinh Rifampicin dưới ánh sáng khả kiến. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các điều kiện chế tạo và khảo sát trong phòng thí nghiệm. Ý nghĩa nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu nano TiO2 đa dạng cấu trúc, nâng cao hiệu quả quang xúc tác, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường và công nghệ năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Cấu trúc tinh thể TiO2: TiO2 tồn tại chủ yếu ở ba pha rutile, anatase và brookite, trong đó anatase và rutile có cấu trúc tinh thể tứ giác, ảnh hưởng đến tính chất quang xúc tác. Độ rộng vùng cấm của anatase khoảng 3,2 eV, rutile khoảng 3,0 eV, giới hạn khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại.
  • Hiệu ứng quang xúc tác: Khi TiO2 được chiếu sáng với photon năng lượng lớn hơn vùng cấm, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, các hạt này di chuyển đến bề mặt và tham gia phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các chất hữu cơ.
  • Hiệu ứng biến tính bề mặt bằng kim loại quý (Au, Ag): Các hạt nano vàng và bạc gắn trên bề mặt TiO2 tạo hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác.
  • Cấu trúc hình cầu rỗng nano: Cấu trúc cầu xốp giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhờ hiện tượng nhiễu xạ, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho biến tính bề mặt bằng kim loại.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng (band gap), quang xúc tác, cộng hưởng plasmon bề mặt, cấu trúc nano, biến tính bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn, bao gồm phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Phương pháp chế tạo mẫu:
    • Tổng hợp khuôn cứng polystyrene (PS) bằng phương pháp nhũ tương polymer hóa.
    • Chế tạo TiO2 cấu trúc cầu rỗng bằng phương pháp sol-gel sử dụng muối TiCl4 với nồng độ tối ưu 0,4 M.
    • Biến tính bề mặt TiO2 bằng các hạt nano vàng (Au) và bạc (Ag) qua quá trình chiếu tia UV hoặc vi sóng trong dung dịch chứa tiền chất kim loại.
  • Phương pháp phân tích:
    • SEM để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, với kích thước quả cầu PS khoảng 300-350 nm.
    • XRD để xác định pha tinh thể và cấu trúc vật liệu, xác nhận sự tồn tại của pha anatase TiO2 và các đỉnh đặc trưng của Au.
    • Phổ UV-Vis để đo phổ hấp thụ ánh sáng, đánh giá hiệu quả mở rộng phổ hấp thụ sau biến tính.
    • Thí nghiệm quang xúc tác phân hủy kháng sinh Rifampicin dưới ánh sáng LED 30 W, đo nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian bằng phổ UV-Vis.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát kéo dài khoảng vài tháng, bao gồm tổng hợp PS, chế tạo TiO2, biến tính bề mặt, đo đạc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hình thái và cấu trúc vật liệu: Ảnh SEM cho thấy các quả cầu PS có kích thước đồng đều 300-350 nm, bề mặt nhẵn. Khi tăng nồng độ TiCl4 từ 0,2 M lên 0,4 M, cấu trúc cầu xốp TiO2 hình thành tốt hơn, vách tổ ong dày và bền hơn. Hai quy trình phủ TiCl4 tạo ra hình thái khác nhau: quy trình nhỏ liên tục tạo cấu trúc xốp tổ ong đồng nhất, không có hạt TiO2 rơi rớt trên bề mặt.
  2. Biến tính bề mặt bằng nano vàng và bạc: Sau chiếu tia UV 20 phút, các hạt nano Au bám không đồng đều trên bề mặt TiO2, giữ nguyên cấu trúc cầu rỗng. Giản đồ XRD xác nhận sự tồn tại pha anatase TiO2 và các đỉnh đặc trưng của Au, chứng tỏ thành công trong biến tính bề mặt.
  3. Phổ hấp thụ UV-Vis: Vật liệu Au/TiO2 và Ag/TiO2 mở rộng phổ hấp thụ từ vùng tử ngoại sang vùng khả kiến, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời. So với TiO2 nguyên bản, phổ hấp thụ của Au/TiO2 và Ag/TiO2 có bước sóng hấp thụ kéo dài hơn, phù hợp với hiệu ứng plasmon bề mặt.
  4. Hiệu quả quang xúc tác phân hủy Rifampicin: Dung dịch Rifampicin 25 mg/L được phân hủy hiệu quả hơn khi sử dụng Au/TiO2 và Ag/TiO2 so với TiO2 nguyên bản và vật liệu P25. Sau 120 phút chiếu sáng, tỷ lệ phân hủy đạt khoảng 85% với Au/TiO2, 80% với Ag/TiO2, trong khi TiO2 chỉ đạt khoảng 60%. Hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến (Kapp) của Au/TiO2 cao hơn 1,4 lần so với TiO2, chứng tỏ sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất xúc tác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả quang xúc tác là do biến tính bề mặt bằng các hạt nano kim loại quý tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, giúp mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng cường sự tạo ra và phân tách các cặp điện tử - lỗ trống. Cấu trúc cầu rỗng nano TiO2 với diện tích bề mặt lớn và khả năng nhiễu xạ ánh sáng cũng góp phần nâng cao hiệu quả hấp thụ và phản ứng quang xúc tác. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về vật liệu TiO2 biến tính bằng Au và Ag, đồng thời mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả sử dụng ánh sáng mặt trời. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis so sánh các mẫu và đồ thị động học phân hủy Rifampicin theo thời gian chiếu sáng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo: Áp dụng quy trình phủ muối TiCl4 liên tục với nồng độ 0,4 M để tạo cấu trúc cầu rỗng TiO2 đồng nhất, tăng độ bền cơ học và diện tích bề mặt, nâng cao hiệu quả xúc tác. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 tháng, do phòng thí nghiệm vật lý chất rắn đảm nhiệm.
  2. Mở rộng biến tính bề mặt bằng kim loại quý: Nghiên cứu thêm các kim loại quý khác như bạc, bạch kim để so sánh hiệu quả quang xúc tác, đồng thời điều chỉnh kích thước hạt nano để tối ưu hiệu ứng plasmon. Thời gian nghiên cứu 3-4 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm hóa học.
  3. Ứng dụng trong xử lý môi trường: Triển khai thử nghiệm quy mô nhỏ xử lý nước thải chứa kháng sinh và các chất hữu cơ độc hại bằng vật liệu Au/TiO2 biến tính, đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu. Thời gian thử nghiệm 6 tháng, phối hợp với các đơn vị môi trường.
  4. Phát triển vật liệu làm đế SERS: Khai thác tính chất plasmon của vật liệu Au/TiO2 để chế tạo đế tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), phục vụ phát hiện phân tử sinh học và hóa học nhạy bén. Thời gian nghiên cứu 4-5 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm quang học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và quang xúc tác: Luận văn cung cấp quy trình chế tạo và phân tích chi tiết vật liệu TiO2 cấu trúc cầu rỗng biến tính kim loại quý, hỗ trợ phát triển các vật liệu xúc tác quang hiệu quả.
  2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Thông tin về ứng dụng phân hủy kháng sinh bằng vật liệu TiO2 biến tính giúp thiết kế các hệ xử lý nước thải thân thiện và hiệu quả.
  3. Kỹ sư công nghệ vật liệu và sản xuất: Hướng dẫn quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 và biến tính bề mặt, giúp ứng dụng trong sản xuất vật liệu chức năng và linh kiện điện tử.
  4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý chất rắn, khoa học vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích vật liệu nano TiO2, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn cấu trúc hình cầu rỗng cho vật liệu TiO2?
    Cấu trúc cầu rỗng giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng nhờ hiệu ứng nhiễu xạ, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác so với cấu trúc đặc.

  2. Làm thế nào để biến tính bề mặt TiO2 bằng kim loại vàng?
    Biến tính được thực hiện bằng cách chiếu tia UV trong dung dịch chứa tiền chất vàng (HAuCl4) với sự hỗ trợ của PVP và ethanol, tạo các hạt nano Au bám lên bề mặt TiO2.

  3. Hiệu ứng plasmon bề mặt của hạt nano vàng ảnh hưởng thế nào đến quang xúc tác?
    Hiệu ứng plasmon bề mặt làm tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến, tạo ra các điện tử kích thích hiệu quả hơn, giảm tái hợp điện tử - lỗ trống, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để khảo sát cấu trúc vật liệu?
    Phương pháp chính là nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và cấu trúc mạng, cùng với kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.

  5. Vật liệu TiO2 biến tính có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài xử lý môi trường?
    Ngoài xử lý môi trường, vật liệu này còn có tiềm năng ứng dụng trong pin mặt trời quang điện hóa, cảm biến, điện cực siêu tụ điện, và đế tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS).

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu nano TiO2 cấu trúc hình cầu rỗng sử dụng khuôn cứng polystyrene với nồng độ TiCl4 0,4 M cho cấu trúc xốp tổ ong bền vững.
  • Biến tính bề mặt TiO2 bằng các hạt nano vàng và bạc mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác phân hủy kháng sinh Rifampicin.
  • Kết quả SEM, XRD và phổ UV-Vis xác nhận cấu trúc và thành phần vật liệu, đồng thời thí nghiệm quang xúc tác cho thấy hiệu suất phân hủy tăng 1,4 lần so với TiO2 nguyên bản.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu quy trình chế tạo, mở rộng biến tính bề mặt và ứng dụng trong xử lý môi trường, phát triển đế SERS.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng kết quả để phát triển vật liệu nano TiO2 đa chức năng, thân thiện môi trường.

Hãy bắt đầu áp dụng các phương pháp chế tạo và biến tính vật liệu TiO2 này để nâng cao hiệu quả quang xúc tác trong các ứng dụng thực tiễn!