Tổng hợp và Tính chất xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 đen

• Tác giả: Dinh Thi Kim Hue
• Người hướng dẫn: Dr. Bui Van Hao
• Trường học: Phenikaa University
• Chuyên ngành: Materials Science
• Đề tài: Synthesis And Photocatalytic Properties Of Black TiO2 Nanomaterials
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hanoi

• ACKNOWLEGEMENT
• STATEMENT OF ASSURANCE
• LIST OF ABREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Purposes of research
• 1.2. Subjects and scopes of research
• 1.3. Methodology of research
• 1.4. Significance of research
• 1.5. Structure of thesis

I. Tổng quan Vật liệu Nano TiO2 Đen Tiềm năng Ứng dụng

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc phát triển các vật liệu hiệu quả để xử lý nước thải trở nên cấp thiết. TiO2 đen, một dạng biến tính của TiO2, nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn nhờ khả năng xúc tác quang vượt trội, đặc biệt dưới ánh sáng nhìn thấy. So với TiO2 truyền thống, TiO2 đen có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, mở ra tiềm năng lớn trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ. Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu nano TiO2 đen, đánh giá khả năng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác quang và phân hủy chất ô nhiễm hiệu quả. Đây là hướng đi đầy tiềm năng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn nước sạch bền vững.

1.1. Giới thiệu chung về Vật liệu Nano TiO2 và TiO2 đen

TiO2 là một vật liệu bán dẫn được biết đến rộng rãi với các đặc tính xúc tác quang ưu việt, tính ổn định hóa học và khả năng phân hủy các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, TiO2 thông thường chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại (UV) do có vùng cấm lớn (khoảng 3.2 eV). Để khắc phục hạn chế này, TiO2 đen đã được phát triển bằng cách tạo ra các khuyết tật mạng tinh thể, chủ yếu là các vị trí trống oxy, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. TiO2 đen là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho các ứng dụng xúc tác quang dưới ánh sáng mặt trời.

1.2. Ứng dụng TiO2 đen trong Xử lý Nước thải và Phân hủy Chất Ô nhiễm

Ô nhiễm nguồn nước là một vấn đề toàn cầu nghiêm trọng. Nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm nguy hại như thuốc nhuộm, dược phẩm, kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ. TiO2 đen có khả năng xúc tác quang hiệu quả, giúp phân hủy các chất ô nhiễm này thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu nano TiO2 đen có thể loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau trong nước thải, bao gồm cả các chất khó phân hủy bằng các phương pháp xử lý truyền thống. Nghiên cứu của Dinh Thi Kim Hue cũng cho thấy điều này.

II. Thách thức Tại sao cần Nghiên cứu sâu về TiO2 Đen

Mặc dù TiO2 đen có nhiều ưu điểm, việc tổng hợp và tối ưu hóa tính chất xúc tác quang vẫn còn nhiều thách thức. Cần kiểm soát chặt chẽ các điều kiện tổng hợp để đảm bảo tạo ra vật liệu nano TiO2 đen với cấu trúc và tính chất mong muốn. Hiệu suất xúc tác quang của TiO2 đen phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt, diện tích bề mặt, số lượng khuyết tật và sự phân bố của chúng. Các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế xúc tác quang của TiO2 đen là cần thiết để cải thiện hiệu quả hoạt động và mở rộng phạm vi ứng dụng.

2.1. Các Yếu tố ảnh hưởng đến Hoạt tính Quang xúc tác của TiO2 đen

Hiệu suất xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 đen bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Kích thước và hình dạng của hạt nano ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng. Số lượng và loại khuyết tật mạng tinh thể (ví dụ: vị trí trống oxy) quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tạo ra các cặp electron-hole. Điều kiện môi trường (pH, nhiệt độ, nồng độ chất ô nhiễm) cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của TiO2 đen.

2.2. Khó khăn trong việc Điều chế TiO2 đen với Hiệu suất cao

Việc điều chế TiO2 đen với hiệu suất cao và kiểm soát được các tính chất mong muốn là một thách thức lớn. Các phương pháp tổng hợp khác nhau (ví dụ: nhiệt phân, khử hydro, plasma) có thể tạo ra TiO2 đen với các đặc tính khác nhau. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp (nhiệt độ, thời gian, áp suất, khí quyển) là rất quan trọng để đạt được hiệu suất xúc tác quang tối ưu. Cần có các phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu quả và có khả năng mở rộng quy mô để đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế.

2.3. Nghiên cứu về Cơ chế Xúc tác Quang của TiO2 đen Cần thiết để Tối ưu

Để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác quang của TiO2 đen, cần hiểu rõ cơ chế xúc tác quang ở cấp độ phân tử. Nghiên cứu về sự hình thành và vận chuyển của các cặp electron-hole, sự tương tác giữa TiO2 đen và các chất ô nhiễm, và vai trò của các gốc tự do (ví dụ: OH•, O2•-) là rất quan trọng. Các phương pháp mô phỏng và tính toán lý thuyết (ví dụ: lý thuyết hàm mật độ - DFT) có thể cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế xúc tác quang và giúp thiết kế các vật liệu nano TiO2 đen hiệu quả hơn.

III. Phương pháp Tổng hợp TiO2 Đen Bí quyết Tạo Vật liệu Ưu việt

Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp TiO2 đen bằng phương pháp kết hợp giữa thủy nhiệt và xử lý nhiệt trong môi trường khí NH3 và H2. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tạo ra nanorod TiO2 ban đầu. Sau đó, xử lý nhiệt trong khí NH3 tạo ra TiO2 doped nitơ (N-doped TiO2), trong khi xử lý trong khí H2 tạo ra các vị trí trống oxy trong mạng tinh thể TiO2, cả hai quá trình đều dẫn đến sự hình thành TiO2 đen. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến cấu trúc, tính chất quang và khả năng xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 đen.

3.1. Điều chế TiO2 đen Phương pháp Thủy nhiệt tạo Nanorod TiO2 ban đầu

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu nano TiO2 với kích thước và hình dạng được kiểm soát. Trong nghiên cứu này, phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tạo ra các nanorod TiO2 (NRs) làm vật liệu ban đầu. Các điều kiện thủy nhiệt (nhiệt độ, thời gian, nồng độ tiền chất) được tối ưu hóa để tạo ra nanorod TiO2 có kích thước và độ tinh khiết cao.

3.2. Cải tiến TiO2 Xử lý nhiệt trong NH3 và H2 tạo TiO2 đen

Để cải tiến TiO2 và tạo ra TiO2 đen, nanorod TiO2 được xử lý nhiệt trong môi trường khí NH3 và H2 ở nhiệt độ cao. Xử lý trong NH3 dẫn đến sự xâm nhập của nitơ vào mạng tinh thể TiO2, tạo ra TiO2 doped nitơ (N-doped TiO2). Xử lý trong H2 tạo ra các vị trí trống oxy trong mạng tinh thể TiO2. Cả hai quá trình này đều làm giảm vùng cấm của TiO2, giúp hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và cải thiện khả năng xúc tác quang.

3.3. Ảnh hưởng của Nhiệt độ và Thời gian đến Cấu trúc TiO2 đen

Nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc TiO2 đen. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự kết tụ của các hạt nano, làm giảm diện tích bề mặt và hiệu suất xúc tác quang. Thời gian xử lý quá ngắn có thể không đủ để tạo ra đủ số lượng khuyết tật hoặc sự xâm nhập của nitơ. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, diện tích bề mặt và thành phần nguyên tố của TiO2 đen.

IV. Tính chất xúc tác quang Đánh giá Khả năng Phân hủy Methylene Blue

Khả năng xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 đen được đánh giá bằng cách sử dụng phản ứng phân hủy Methylene Blue (MB) dưới ánh sáng nhìn thấy. MB là một loại thuốc nhuộm hữu cơ thường được sử dụng làm chất ô nhiễm mô hình. Hiệu suất phân hủy MB được đo bằng cách theo dõi sự thay đổi độ hấp thụ của dung dịch MB theo thời gian. Kết quả cho thấy TiO2 đen có khả năng phân hủy MB hiệu quả hơn so với TiO2 thông thường.

4.1. Đo Hiệu suất xúc tác quang Phân hủy MB dưới Ánh sáng nhìn thấy

Phản ứng phân hủy Methylene Blue (MB) là một phương pháp tiêu chuẩn để đánh giá hiệu suất xúc tác quang của vật liệu bán dẫn. MB hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, cho phép đánh giá khả năng xúc tác quang của TiO2 đen dưới ánh sáng nhìn thấy. Sự thay đổi độ hấp thụ của dung dịch MB theo thời gian được sử dụng để tính toán hiệu suất phân hủy.

4.2. So sánh Hoạt tính quang xúc tác TiO2 đen so với TiO2 thường

Nghiên cứu so sánh hoạt tính quang xúc tác của TiO2 đen với TiO2 thông thường. Kết quả cho thấy TiO2 đen có khả năng phân hủy MB hiệu quả hơn đáng kể so với TiO2 thông thường dưới ánh sáng nhìn thấy. Điều này chứng minh rằng việc tạo ra TiO2 đen giúp mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất xúc tác quang.

4.3. Nghiên cứu Cơ chế Phân hủy Vai trò của các Gốc tự do

Các gốc tự do (ví dụ: OH•, O2•-) đóng vai trò quan trọng trong cơ chế xúc tác quang. Nghiên cứu điều tra vai trò của các gốc tự do trong phản ứng phân hủy MB bằng TiO2 đen. Các chất quét gốc tự do được sử dụng để xác định các gốc tự do nào tham gia vào quá trình phân hủy MB. Kết quả cho thấy rằng cả OH• và O2•- đều đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy MB bằng TiO2 đen.

V. Ứng dụng TiO2 Đen Tiềm năng Xử lý Ô nhiễm và Năng lượng Sạch

Ứng dụng TiO2 đen không chỉ giới hạn trong việc xử lý nước thải. Với khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả, TiO2 đen còn có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực năng lượng sạch, như pin mặt trời và phân tách nước. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển vật liệu nano TiO2 đen sẽ mở ra nhiều cơ hội mới để giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng toàn cầu.

5.1. Ứng dụng TiO2 đen trong Xử lý Nước thải Các Nghiên cứu điển hình

Ứng dụng TiO2 đen trong xử lý nước thải đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu. TiO2 đen có thể được sử dụng để phân hủy thuốc nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ sâu và các chất ô nhiễm khác trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Các nghiên cứu điển hình cho thấy rằng TiO2 đen có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm này, giúp cải thiện chất lượng nước.

5.2. TiO2 đen trong Năng lượng Mặt trời Tiềm năng Chuyển đổi Năng lượng

Khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả của TiO2 đen mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. TiO2 đen có thể được sử dụng trong pin mặt trời để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra, TiO2 đen còn có thể được sử dụng trong các hệ thống quang xúc tác để phân tách nước thành hydro và oxy, một nguồn năng lượng sạch tiềm năng.

5.3. Nghiên cứu Vật liệu Bán dẫn Phát triển Vật liệu mới

Nghiên cứu về TiO2 đen góp phần vào sự phát triển của các vật liệu bán dẫn mới với các tính chất ưu việt. Việc hiểu rõ cơ chế xúc tác quang và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của TiO2 đen sẽ giúp thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới với khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực môi trường, năng lượng và y sinh.

VI. Kết luận Hướng đi và Tương lai của Nghiên cứu TiO2 Đen

Nghiên cứu này đã cung cấp một cái nhìn sâu sắc về việc tổng hợp và tính chất xúc tác quang của vật liệu nano TiO2 đen. Kết quả cho thấy TiO2 đen là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường và năng lượng sạch. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp, cải thiện độ bền của TiO2 đen và khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

6.1. Tối ưu hóa Tổng hợp TiO2 đen Các Bước Tiếp theo

Để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí tổng hợp TiO2 đen, cần tiếp tục tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp, bao gồm nhiệt độ, thời gian, áp suất và khí quyển. Các phương pháp tổng hợp mới, như phương pháp plasma và phương pháp laser, cũng cần được nghiên cứu và phát triển. Ngoài ra, việc sử dụng các tiền chất rẻ tiền và thân thiện với môi trường là một hướng đi quan trọng.

6.2. Đánh giá Độ bền của TiO2 đen Thách thức và Giải pháp

Độ bền của TiO2 đen là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong các ứng dụng thực tế. TiO2 đen có thể bị mất hoạt tính do sự oxy hóa hoặc sự kết tụ của các hạt nano. Các nghiên cứu nên tập trung vào việc cải thiện độ bền của TiO2 đen bằng cách phủ lên bề mặt các lớp bảo vệ hoặc kết hợp với các vật liệu ổn định khác.

6.3. Nghiên cứu TiO2 biến tính Mở rộng Phạm vi Ứng dụng

Việc nghiên cứu TiO2 biến tính mở ra nhiều cơ hội mới để mở rộng phạm vi ứng dụng của TiO2 đen. TiO2 biến tính có thể có các tính chất đặc biệt, như khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại, khả năng tự làm sạch hoặc khả năng kháng khuẩn. Các nghiên cứu nên tập trung vào việc phát triển TiO2 biến tính với các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và gia tăng dân số nhanh chóng, ô nhiễm nguồn nước trở thành thách thức toàn cầu nghiêm trọng. Ước tính hàng trăm tỷ mét khối nước thải được xả ra môi trường mỗi năm, trong đó chỉ khoảng 52% được xử lý trước khi thải ra ngoài. Nước thải chưa qua xử lý chứa nhiều chất ô nhiễm như kim loại nặng, hợp chất hữu cơ và vô cơ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường. Do đó, việc phát triển vật liệu và công nghệ hiệu quả để phân hủy các chất ô nhiễm và tái tạo nước sạch là rất cần thiết.

Titan dioxide (TiO2) là vật liệu quang xúc tác được quan tâm rộng rãi nhờ tính ổn định hóa học, không độc hại và hiệu suất quang xúc tác cao. Tuy nhiên, TiO2 có băng thông rộng khoảng 3.2 eV, chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm khoảng 5% năng lượng mặt trời, hạn chế ứng dụng thực tế khi sử dụng ánh sáng mặt trời. Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu TiO2 đen (black TiO2) có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến (chiếm 42-45% năng lượng mặt trời) thông qua phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt độ cao trong khí NH3 và H2. Nghiên cứu tập trung vào TiO2 dạng nanorods (NRs) nhằm mở rộng hiểu biết về sự biến đổi cấu trúc, thành phần và tính chất quang học của vật liệu dưới các điều kiện xử lý khác nhau, đồng thời đánh giá hiệu suất quang xúc tác phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp và khảo sát tính chất quang xúc tác của TiO2 NRs đen được xử lý trong khí NH3 và H2 ở nhiệt độ từ 400 đến 1100 °C, tại Phenikaa University, trong năm 2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý nước thải và ứng dụng năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quang xúc tác TiO2: TiO2 có ba dạng tinh thể chính là anatase, rutile và brookite, trong đó anatase thường có hiệu suất quang xúc tác cao hơn nhờ băng thông gián tiếp giúp giảm tái kết hợp electron-lỗ trống. Tuy nhiên, TiO2 nguyên bản chỉ hấp thụ ánh sáng UV do băng thông rộng ~3.2 eV.

• Doping và tạo khuyết tật: Việc pha tạp nguyên tố phi kim như nitơ (N) hoặc hydro (H) vào mạng tinh thể TiO2 tạo ra các mức năng lượng mới trong băng cấm, giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Các khuyết tật như chân không oxy (oxygen vacancies) và Ti3+ cũng góp phần làm thay đổi cấu trúc điện tử và màu sắc vật liệu, tạo ra TiO2 đen với hiệu suất quang xúc tác cải thiện.

• Mô hình DFT (Density Functional Theory): Sử dụng phương pháp DFT để mô phỏng cấu trúc điện tử của TiO2 pha tạp N với các mức pha tạp khác nhau, phân tích vị trí các mức năng lượng trong băng cấm và ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác.

Các khái niệm chính bao gồm: băng thông (bandgap), mức năng lượng khuyết tật (defect states), tái kết hợp điện tử-lỗ trống (electron-hole recombination), hấp thụ ánh sáng khả kiến (visible light absorption), và quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết:

• Nguồn dữ liệu:

  • Vật liệu TiO2 NRs tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ bột TiO2 anatase thương mại.
  • Xử lý nhiệt TiO2 NRs trong khí NH3 và H2 ở nhiệt độ từ 400 đến 1100 °C với thời gian từ 2 đến 5 giờ.
  • Dữ liệu thu thập từ các kỹ thuật phân tích: SEM (quan sát hình thái), XRD (phân tích cấu trúc tinh thể), EDX và XPS (thành phần nguyên tố), UV-Vis (phổ hấp thụ quang học).
  • Thử nghiệm quang xúc tác phân hủy methylene blue (MB) dưới ánh sáng khả kiến.
  • Mô phỏng DFT để tính toán cấu trúc điện tử và hấp thụ MB trên bề mặt TiO2.

• Phương pháp phân tích:

  • Phân tích hình thái và cấu trúc bằng SEM và XRD để xác định sự biến đổi kích thước, hình dạng và pha tinh thể.
  • Đo phổ UV-Vis để xác định băng thông và khả năng hấp thụ ánh sáng.
  • Phân tích thành phần nguyên tố và trạng thái hóa học bằng EDX và XPS.
  • Thử nghiệm quang xúc tác đánh giá hiệu suất phân hủy MB qua đo nồng độ MB theo thời gian.
  • Mô phỏng DFT sử dụng các siêu ô với các mức pha tạp N khác nhau để tính năng lượng khuyết tật và băng thông.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp TiO2 NRs thủy nhiệt (14 giờ), xử lý nhiệt trong khí NH3/H2 (2-5 giờ), phân tích vật liệu và thử nghiệm quang xúc tác, mô phỏng DFT song song trong quá trình thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình thái và cấu trúc:

   • TiO2 NRs ban đầu có kích thước đường kính 200-400 nm, chiều dài vài micromet, bề mặt nhẵn.
   • Xử lý NH3 ở 400-600 °C giữ nguyên hình thái nhưng màu sắc chuyển từ trắng sang xám đậm, chứng tỏ N được pha tạp vào mạng tinh thể.
   • Ở 700-800 °C, TiO2 NRs chuyển thành cấu trúc rỗng, bề mặt gồ ghề, màu đen đặc trưng của TiN, do phản ứng nitrua hóa mạnh.
   • Ở 900-1000 °C, nanorods co lại và vỡ thành hạt nhỏ, 1100 °C gây kết tụ hạt lớn hơn.
   • XRD cho thấy sự chuyển pha từ anatase sang TiN bắt đầu từ 700 °C, hoàn toàn chuyển thành TiN ở 800 °C trở lên.

2. Thành phần nguyên tố:

   • EDX cho thấy tỷ lệ N tăng nhanh từ 700 đến 900 °C, oxy giảm tương ứng, chứng tỏ quá trình nitrua hóa diễn ra mạnh.
   • Ở 1100 °C, oxy không còn phát hiện được, TiO2 chuyển hoàn toàn thành TiN.
   • XPS phát hiện N ở dạng thế thay thế (substitutional NO) chủ yếu ở 500-600 °C, với nồng độ thấp chưa thể phát hiện bằng EDX.

3. Tính chất quang học:

   • TiO2 ban đầu hấp thụ ánh sáng UV với băng thông 3.13 eV.
   • Sau xử lý NH3 ở 400-550 °C, băng thông giảm xuống khoảng 2.22-2.41 eV, hấp thụ ánh sáng đỏ dịch sang vùng khả kiến (550-700 nm).
   • Ở 600 °C trở lên, phổ hấp thụ xuất hiện đỉnh rộng do hiệu ứng plasmon bề mặt của TiN, tăng cường hấp thụ ánh sáng mặt trời.

4. Ảnh hưởng thời gian xử lý:

   • Kéo dài thời gian xử lý NH3 từ 2 lên 5 giờ tại 700-900 °C làm tăng tỷ lệ chuyển pha TiO2 sang TiN, tăng nồng độ N và giảm oxy, tương đương với tăng nhiệt độ xử lý.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi hình thái từ nanorods đặc sang cấu trúc rỗng và cuối cùng thành hạt nhỏ do nitrua hóa giải thích bởi sự giải phóng khí NH3 và H2O trong phản ứng, gây tái cấu trúc vật liệu. Sự chuyển pha từ anatase sang TiN được xác nhận qua XRD và sự thay đổi màu sắc, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Việc phát hiện N ở dạng thế thay thế NO qua XPS cho thấy N được pha tạp thành công vào mạng tinh thể TiO2 ở nhiệt độ trung bình, làm giảm băng thông và mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng.

Hiệu ứng plasmon bề mặt của TiN tạo ra đỉnh hấp thụ rộng trong vùng khả kiến và gần hồng ngoại, giúp tăng hiệu quả thu nhận năng lượng mặt trời, rất có lợi cho ứng dụng quang xúc tác và chuyển đổi năng lượng. Kết quả mô phỏng DFT cho thấy băng thông giảm khoảng 0.5-0.78 eV khi pha tạp N với nồng độ dưới 1%, phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Các dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis so sánh các mẫu xử lý ở nhiệt độ khác nhau, bảng thành phần nguyên tố EDX và XPS, cũng như hình ảnh SEM minh họa sự biến đổi hình thái.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Kiểm soát nhiệt độ và thời gian xử lý NH3 để tối ưu hóa tỷ lệ pha tạp N và chuyển pha TiN, nhằm đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất. Nên ưu tiên xử lý ở 500-600 °C trong 2-5 giờ để giữ cấu trúc nanorods và giảm băng thông hiệu quả.

2. Kết hợp xử lý khí H2 sau NH3 để tạo ra vật liệu đồng pha N và H, tăng cường ổn định các mức năng lượng khuyết tật, giảm tái kết hợp điện tử-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

3. Ứng dụng vật liệu TiO2 đen trong xử lý nước thải bằng phương pháp quang xúc tác phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như methylene blue, với mục tiêu giảm nồng độ ô nhiễm trên 90% trong vòng 3 giờ chiếu sáng khả kiến.

4. Phát triển hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời sử dụng TiN có hiệu ứng plasmon để tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hơi nước hoặc điện năng, hướng tới ứng dụng trong công nghệ làm sạch nước và năng lượng tái tạo.

Các giải pháp nên được thực hiện bởi các nhóm nghiên cứu vật liệu, trung tâm xử lý môi trường và doanh nghiệp công nghệ sạch trong vòng 1-2 năm tới để nhanh chóng ứng dụng vào thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang xúc tác: Nghiên cứu sâu về cơ chế pha tạp N, H và ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử, giúp phát triển vật liệu mới hiệu quả hơn.

2. Chuyên gia xử lý môi trường và nước thải: Áp dụng vật liệu TiO2 đen trong công nghệ xử lý nước thải bằng quang xúc tác, nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ.

3. Doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo: Khai thác hiệu ứng plasmon của TiN trong chuyển đổi năng lượng mặt trời, phát triển thiết bị làm sạch nước và sản xuất hơi nước sạch.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành khoa học vật liệu, hóa học và môi trường: Tài liệu tham khảo chi tiết về tổng hợp, đặc tính và ứng dụng của TiO2 nanomaterials, phương pháp kết hợp thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần pha tạp nitơ vào TiO2?
   Pha tạp nitơ tạo ra các mức năng lượng mới trong băng cấm TiO2, giúp giảm băng thông từ ~3.2 eV xuống khoảng 2.2-2.4 eV, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang khả kiến, tăng hiệu suất quang xúc tác dưới ánh sáng mặt trời.

2. Xử lý nhiệt trong khí NH3 ảnh hưởng thế nào đến cấu trúc TiO2?
   Ở nhiệt độ thấp (400-600 °C), TiO2 giữ cấu trúc nanorods, N được pha tạp vào mạng tinh thể. Ở nhiệt độ cao hơn (700-900 °C), xảy ra chuyển pha sang TiN, nanorods trở thành cấu trúc rỗng hoặc hạt nhỏ, ảnh hưởng đến tính chất quang học và cơ học.

3. Hiệu ứng plasmon bề mặt của TiN có lợi ích gì?
   Hiệu ứng plasmon tạo ra đỉnh hấp thụ rộng trong vùng khả kiến và gần hồng ngoại, giúp vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả hơn, tăng khả năng chuyển đổi năng lượng cho các ứng dụng quang xúc tác và năng lượng tái tạo.

4. Phương pháp DFT giúp gì trong nghiên cứu này?
   DFT mô phỏng cấu trúc điện tử, xác định vị trí các mức năng lượng khuyết tật do pha tạp N, dự đoán sự giảm băng thông và ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác, hỗ trợ giải thích kết quả thực nghiệm.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu suất quang xúc tác của TiO2 đen?
   Hiệu suất được đánh giá qua khả năng phân hủy methylene blue dưới ánh sáng khả kiến, đo nồng độ MB theo thời gian bằng phổ UV-Vis, tính toán phần trăm phân hủy, so sánh giữa các mẫu xử lý khác nhau.

Kết luận

• TiO2 nanorods đen được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt trong khí NH3 và H2 ở nhiệt độ 400-1100 °C.
• Pha tạp nitơ làm giảm băng thông TiO2 từ 3.13 eV xuống khoảng 2.2-2.4 eV, mở rộng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến.
• Ở nhiệt độ cao, TiO2 chuyển pha thành TiN với hiệu ứng plasmon bề mặt, tăng cường hấp thụ năng lượng mặt trời.
• Mô phỏng DFT hỗ trợ giải thích cơ chế pha tạp và ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả cho xử lý nước thải và ứng dụng năng lượng tái tạo trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm ứng dụng thực tế vật liệu TiO2 đen trong xử lý nước thải và phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để thương mại hóa công nghệ này.