I. Tổng quan về vật liệu nano TiO2 và tính chất quang xúc tác
Vật liệu nano TiO2 là một trong những vật liệu được nghiên cứu rộng rãi nhờ các tính chất quang xúc tác ưu việt như độ bền hóa học cao, không độc hại và khả năng tái sử dụng. Tính chất quang xúc tác của TiO2 phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể, trong đó cấu trúc anatase thường có hoạt tính cao nhất. Tuy nhiên, TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn (3.0-3.2 eV), hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Để khắc phục, pha tạp Fe được áp dụng để tạo ra các mức năng lượng trung gian, giúp giảm độ rộng vùng cấm và tăng hiệu suất quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
1.1. Cấu trúc và tính chất của TiO2
TiO2 tồn tại ở ba dạng tinh thể chính: anatase, rutile và brookite. Cấu trúc anatase có hoạt tính quang xúc tác cao nhất do sự sắp xếp nguyên tử tối ưu trên các mặt tinh thể. Cấu trúc rutile ổn định hơn nhưng có hoạt tính thấp hơn. Pha tạp Fe vào mạng tinh thể TiO2 giúp tạo ra các mức năng lượng mới, làm giảm độ rộng vùng cấm và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.
1.2. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2
Vật liệu nano TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại. Tính chất quang xúc tác của TiO2 giúp chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm an toàn hơn. Pha tạp Fe vào TiO2 không chỉ cải thiện hiệu suất quang xúc tác mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực như năng lượng và y tế.
II. Phương pháp tổng hợp và nghiên cứu vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe
Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe do ưu điểm về độ đồng đều cấu trúc và chi phí thấp. Quá trình tổng hợp bao gồm việc xử lý TiO2 trong dung dịch NaOH ở nhiệt độ cao, tạo ra các cấu trúc nano một chiều. Pha tạp Fe được thực hiện bằng cách thêm các ion Fe vào dung dịch phản ứng, tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm của TiO2.
2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu
Quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch phản ứng, xử lý thủy nhiệt ở nhiệt độ 150-180°C, và ủ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau (300-700°C). Phương pháp thủy nhiệt đảm bảo sự đồng đều về cấu trúc và kích thước của vật liệu, trong khi pha tạp Fe giúp cải thiện tính chất quang xúc tác.
2.2. Phân tích hình thái và cấu trúc
Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để nghiên cứu hình thái và cấu trúc của vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể về hình thái và cấu trúc tinh thể khi thay đổi nồng độ pha tạp Fe và nhiệt độ ủ.
III. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe
Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe được đánh giá thông qua khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ như Rhodamine B (RhB) dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại. Kết quả cho thấy pha tạp Fe làm tăng đáng kể hiệu suất quang xúc tác, đặc biệt ở nồng độ pha tạp tối ưu (2%).
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Fe
Nghiên cứu cho thấy nồng độ pha tạp Fe ảnh hưởng lớn đến tính chất quang xúc tác của vật liệu. Ở nồng độ 2%, hiệu suất quang xúc tác đạt cực đại do sự hình thành các mức năng lượng trung gian tối ưu. Tuy nhiên, khi nồng độ pha tạp vượt quá 2%, hiệu suất giảm do sự tái hợp điện tử - lỗ trống tăng lên.
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ
Nhiệt độ ủ cũng ảnh hưởng đến tính chất quang xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu được ủ ở 500°C có hiệu suất quang xúc tác cao nhất do sự ổn định cấu trúc tinh thể và sự phân bố đồng đều của các ion pha tạp Fe trong mạng tinh thể TiO2.
