Luận Văn Chế tạo trực tiếp và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp TiO2/SBA-15

MỞ ĐẦU

Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện qua số các công trình nghiên cứu khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Đây là một lĩnh vực hết sức mới mẻ vì nó ở biên giới giữa phạm vi ứng dụng của thuyết lượng tử hiện đại và thuyết vật lý cổ điển. Sở dĩ công nghệ nano điều chế các vật liệu mới đang rất được quan tâm là do hiệu ứng thu nhỏ kích thước làm xuất hiện nhiều tính chất mới đặc biệt và nâng cao các tính chất vốn có lên so với vật liệu khối thông thường, đặc biệt là các hiệu ứng quang lượng tử và điện tử. Vật liệu nano kích cỡ nano mét có những tính chất ưu việt như độ bền cơ học cao, tính bán dẫn, các tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao, v.v Công nghệ nano đang là một hướng công nghệ mũi nhọn của thế giới. Nhiều vấn đề then chốt như: An toàn năng lượng, an ninh lương thực, môi trường sinh thái, sức khỏe sẽ được giải quyết thuận lợi hơn dựa trên sự phát triển của công nghệ nano. Trong số đó, có hai mối đe dọa hàng đầu đối với loài người mà giới khoa học kỳ vọng vào khả năng giải quyết của công nghệ nano là vấn đề môi trường và năng lượng. Nano TiO2 là loại vật liệu có nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng. So với các chất xúc tác quang khác, TiO[SUB]2[/SUB] thể hiện các ưu điểm vượt trội do giá thành thấp, hiệu năng xúc tác quang cao, bền hóa học và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nhược điểm của vật liệu TiO[SUB]2[/SUB] được điều chế theo phương pháp thông thường có diện tích bề mặt không lớn, hoạt tính quang xúc tác chỉ thể hiện trong vùng ánh sáng tử ngoại và độ phân tán của xúc tác trong hệ phản ứng dị thể không tốt. Nếu sử dụng TiO[SUB]2[/SUB] dưới dạng các hạt nano để làm chất xúc tác sẽ rất khó thu hồi sau phản ứng. Trong lúc đó, như một chất mang xúc tác lý tưởng, các vật liệu oxit silic mao quản trung bình, đặc biệt SBA-15, rất đáng được quan tâm bởi chúng có diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản có thể điều chỉnh được, khung mao quản có độ trật tự cao và đặc biệt là trong suốt đối với tia UV. Vì vậy, nếu tổ hợp hai loại vật liệu nano dạng mao quản SBA-15 và dạng hạt (thanh, dây) TiO­[SUB]2[/SUB], các hạn chế nêu trên có thể được cải thiện, đồng thời sẽ tăng cường ưu điểm của chúng như cải thiện độ bền, độ đồng đều của cỡ hạt, khả năng điều khiển hình dạng và kích cỡ nano mét của hạt, khả năng hấp phụ, độ phân tán tâm xúc tác, khả năng tách, hoàn nguyên xúc tác, và quan trọng nhất là cải thiện hiệu năng xúc tác. Tuy vậy, việc kết hợp giữa hai loại vật liệu này vẫn đang còn là vấn đề mới mẻ và cần thiết phải được nghiên cứu, bởi lẽ rất hứa hẹn khả năng tăng cường những ưu thế của các vật liệu và ứng dụng chúng trong thực tiễn. Thêm vào đó, Việt Nam là một nước có trữ lượng titan sa khoáng khá lớn, lại nằm trong vùng nhiệt đới với thời lượng chiếu sáng hàng năm của mặt trời khá cao nên tiềm năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang là rất lớn. Vì thế, hướng nghiên cứu điều chế và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp TiO[SUB]2[/SUB]/SBA-15 nhằm ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường là rất cần thiết, rất có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. Vì vậy tôi chọn đề tài “Chế tạo trực tiếp và ứng dụng quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp TiO[SUB]2[/SUB]/SBA-15”. Trong đề tài này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu 3 vấn đề sau:

• Tổng hợp, biến tính vật liệu nano tổ hợp TiO[SUB]2[/SUB]/SBA-15 theo cách trực tiếp, khảo sát các điều kiện tổng hợp ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (hàm lượng TiO[SUB]2[/SUB], tỉ số Si/Ti, nhiệt độ, thời gian, ).
• Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu điều chế theo một so phản ứng mô hình: phân hủy hợp chất phenol, xanh metylen, metyl da cam, trong dung dịch nước; từ đó thăm dò khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải (có so sánh với kết quả thực nghiệm từ vật liệu TiO[SUB]2[/SUB]/SBA-15 điều chế theo phương pháp gián tiếp).