Nghiên Cứu Về Vật Liệu TiO2 Trong Ứng Dụng Công Nghệ

Từ những phát hiện ban đầu về khả năng phân hủy nước và khử xyanua, TiO2 đã chứng minh tiềm năng to lớn trong nhiều lĩnh vực. Khả năng quang xúc tác và tính siêu ưa nước của TiO2 đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Các ứng dụng của TiO2 ngày càng mở rộng, từ xử lý ô nhiễm môi trường đến chế tạo vật liệu tự làm sạch và diệt khuẩn.

TiO2 đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ vật liệu tiên tiến. Với những tính chất độc đáo như khả năng quang xúc tác, tính siêu ưa nước và khả năng tương thích sinh học, TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước, pin mặt trời, cảm biến và y sinh.

Khi tạo thành tinh thể, mỗi nguyên tử titan cho hai nguyên tử oxy bốn điện tử để trở thành cation Ti4+, mỗi nguyên tử oxy nhận hai điện tử để trở thành anion O2-. Khi đó có phân lớp 2p đầy sáu điện tử vì vậy trong tinh thể vùng 2p là vùng đầy điện tử. Trong khi đó cation Ti4+ có phân lớp 3d và 4s không chứa điện tử nào nên khi tạo thành tinh thể vùng này không chứa điện tử. Đối với vật rắn có cấu trúc tinh thể, tập hợp các trạng thái mà trong đó electron có thể tồn tại tạo thành các vùng năng lượng cho phép.

Tinh thể TiO2 bao gồm ba pha cấu trúc: anatase, rutile và brookite. Mỗi pha có cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý khác nhau. Pha anatase thường được ưa chuộng trong các ứng dụng quang xúc tác do có hoạt tính cao hơn so với các pha khác. Nhiệt độ chuyển pha vô định hình sang anatase là 500-600°C, và nhiệt độ chuyển pha từ anatase sang rutile là 800-900°C.

Cấu trúc tinh thể của TiO2 ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang xúc tác của nó. Các pha tinh thể khác nhau có vùng cấm năng lượng khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Pha anatase thường có hoạt tính quang xúc tác cao hơn do có diện tích bề mặt lớn hơn và khả năng tách các cặp electron-lỗ trống tốt hơn.

Kỹ thuật sol-gel là một phương pháp phổ biến để tổng hợp hạt nano TiO2. Phương pháp này dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất kim loại, tạo thành một sol (hệ keo) và sau đó chuyển thành gel. Kích thước, hình dạng và cấu trúc tinh thể của hạt nano TiO2 có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số quá trình như nhiệt độ, pH và nồng độ tiền chất.

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật tổng hợp trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Phương pháp này cho phép điều chỉnh cấu trúc tinh thể và hình thái của TiO2, tạo ra các cấu trúc nano như dây nano TiO2, ống nano TiO2 và màng mỏng TiO2. Phương pháp thủy nhiệt thường được sử dụng để tổng hợp TiO2 anatase với hoạt tính quang xúc tác cao.

Để cải thiện tính chất của TiO2, người ta thường sử dụng các phương pháp doping và tạo composite. Doping là quá trình thêm các nguyên tố khác vào cấu trúc tinh thể của TiO2 để thay đổi tính chất điện tử và quang học của nó. Tạo composite là quá trình kết hợp TiO2 với các vật liệu khác để tạo ra vật liệu mới với các tính chất vượt trội.

TiO2 photocatalysis là một quá trình quang xúc tác sử dụng TiO2 để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Khi TiO2 hấp thụ ánh sáng UV, nó tạo ra các cặp electron-lỗ trống, có khả năng oxy hóa và khử các chất ô nhiễm. Cơ chế quang xúc tác TiO2 bao gồm các bước: hấp thụ ánh sáng, tạo cặp electron-lỗ trống, di chuyển các điện tích đến bề mặt, và phản ứng oxy hóa khử.

Để khắc phục hạn chế của việc sử dụng bột TiO2 trong xử lý nước, người ta đã tạo ra các bộ lọc trong đó TiO2 được phủ thành một lớp mỏng trên bề mặt thủy tinh, gốm sứ hoặc kim loại. Trong bộ lọc này, nước thải công nghiệp được cho chảy qua các lớp mỏng đã được phủ TiO2. Lúc này sự oxy hóa quang xúc tác bắt đầu phát huy tính chất và loại bỏ, phân hủy sự ô nhiễm của nước ngay trong không khí.

TiO2 cũng được sử dụng trong xử lý khí thải và làm sạch không khí. Các vật liệu TiO2 có thể được phủ trên các bề mặt trong nhà hoặc ngoài trời để phân hủy các chất ô nhiễm không khí như NOx, VOCs và các hạt bụi mịn. Quá trình quang xúc tác giúp chuyển đổi các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

TiO2 đóng vai trò quan trọng trong pin mặt trời nhuộm màu (DSSC). TiO2 nano được sử dụng làm vật liệu bán dẫn để vận chuyển electron từ chất nhuộm màu đến điện cực. Cấu trúc xốp của TiO2 giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với chất nhuộm màu, cải thiện hiệu suất hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng.

TiO2 được sử dụng trong nhiều loại cảm biến, bao gồm cảm biến khí và cảm biến sinh học. Tính chất bán dẫn và khả năng thay đổi điện trở khi tiếp xúc với các chất khí hoặc chất sinh học giúp TiO2 trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến. Cảm biến TiO2 có thể được sử dụng để phát hiện các chất ô nhiễm không khí, các chất độc hại và các dấu ấn sinh học.

TiO2 quantum dots (chấm lượng tử TiO2) là các hạt nano TiO2 có kích thước rất nhỏ, có tính chất quang học và điện tử độc đáo. TiO2 quantum dots có tiềm năng lớn trong các ứng dụng cảm biến do có độ nhạy cao và khả năng phát hiện các chất ở nồng độ rất thấp.

Các hướng nghiên cứu mới về TiO2 tập trung vào việc cải thiện tính chất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này. Các phương pháp biến tính TiO2 như doping, tạo composite và điều chỉnh cấu trúc nano đang được nghiên cứu để tăng cường hoạt tính quang xúc tác, khả năng hấp thụ ánh sáng và tính tương thích sinh học.

TiO2 có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y sinh và mỹ phẩm. TiO2 nano được sử dụng trong kem chống nắng để bảo vệ da khỏi tác hại của tia UV. TiO2 cũng được nghiên cứu để sử dụng trong các ứng dụng y sinh như vật liệu cấy ghép, hệ thống phân phối thuốc và chẩn đoán hình ảnh.

Mặc dù có nhiều tiềm năng, TiO2 vẫn đối mặt với một số thách thức, bao gồm hiệu suất quang xúc tác còn hạn chế, khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy thấp và vấn đề an toàn của hạt nano TiO2. Tuy nhiên, những thách thức này cũng tạo ra cơ hội cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư để phát triển các vật liệu TiO2 tiên tiến hơn và an toàn hơn.