Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo màng mỏng quang xúc tác bằng phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc

MỞ ĐẦU
Hiện nay trái đất nói chung và Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với hai vấn nạn lớn: môi trường bị thoái hóa nhanh và sức khỏe của người dân đang bị đe dọa nghiêm trọng. Môi trường sống hiện nay ở các thành phố lớn như Tp. HCM, Hà Nội, Cần Thơ, đang bị ô nhiễm khói, bụi ngày càng trầm trọng.
Việc sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, hoạt động của các nhà máy công nghiệp, đã thải các loại khí SO2, NOx, CO2, vào bầu khí quyển ngày càng nhiều và gây ra nhiều tác hại như hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên.
Ngoài ra, do tốc độ phát triển kinh tế và đô thị hoá của Việt Nam nhanh và ngày càng lớn mạnh nên nhu cầu về nhà ở và văn phòng làm việc cũng tăng nhanh. Bên cạnh việc xây dựng, việc bảo quản, giữ gìn bề mặt bên trong và bên ngoài của tòa nhà chiếm một chi phí không nhỏ. Sử dụng chất tẩy rửa để làm sạch các chất bẩn bám vào các tấm kính, panel, tường không những có thể gây nguy hiểm cho người lao động khi làm vệ sinh các tòa cao ốc, gia tăng chi phí bảo quản mà còn gây ô nhiễm môi trường do có khá nhiều hợp chất không phân huỷ sinh học trong chất tẩy
rửa.
Sự tích lũy một khối lượng lớn các hóa chất đã gây ra nhiều loại bệnh chưa từng biết đến, gây ảnh hưởng xấu đến năng suất cây trồng, vật nuôi và phẩm chất lương thực thực phẩm, đẩy nhanh quá trình ăn mòn máy móc thiết bị, làm giảm tuổi thọ của các công trình kiến trúc, xây dựng, Do đó, thiệt hại do ô nhiễm môi trường gây ra rất lớn. Để cải thiện môi trường, con người đã có nhiều giải pháp. Trong số đó, việc sử dụng các loại vật liệu quang xúc tác đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây (từ năm 1990).
Năm 1972, Fujishima và Honda đã khám phá hợp chất TiO2 có tính chất quang xúc tác tuyệt vời. Chỉ bằng việc chiếu sáng, các nhà nghiên cứu nhận thấy các chất hữu cơ, các chất bẩn bị phân huỷ. Hiện nay, có rất nhiều loại vật liệu có tính năng quang xúc tác như ZnO, Ta2O5, ZrO2, TiO2, ., Tuy nhiên, vật liệu titandioxide (TiO2) cho thấy có triển vọng, ứng dụng hiệu quả nhất nhờ khả năng ôxy hóa mạnh
Với độ rộng vùng cấm khoảng 3.2eV - 3.8 eV, vật liệu TiO2 chỉ có thể cho hiệu ứng quang xúc tác trong vùng ánh sáng UV. Do đó, hiệu suất quang xúc tác ngoài trời thấp do bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 5% năng lượng Mặt Trời. Để sử dụng năng lượng Mặt Trời một cách hiệu quả hơn, cần mở rộng phổ hấp thu của TiO2 vào vùng ánh sáng khả kiến (loại bức xạ chiếm đến 45% năng lượng mặt trời).
Để chế tạo vật liệu có tính năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả kiến trên nền vật liệu TiO2, cho đến nay có bốn phương pháp chủ yếu được đề nghị là: (1) pha tạp ion kim loại chuyển tiếp (để tạo những trạng thái trung gian trong vùng cấm TiO2); (2) gắn kết chất nhạy quang (đóng vai trò là chất hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến); (3) thành lập TiOx (tạo trạng thái khuyết oxygen (O) định xứ trên mức năng lượng trong khoảng 0.75eV – 1.18 eV ở dưới vùng dẫn); (4) pha tạp các anion của C,N,F,P hoặc S (để thay thế O trong tinh thể anatase TiO2). Tuy nhiên, ba phương pháp đầu đều không bền nhiệt, độ lập lại quang xúc tác kém, hoặc làm tăng nồng độ tâm tái hợp [11]. Trong khi đó, phương pháp (4) được cho là hiệu dụng nhất do có khả năng thành lập mức tạp mới gần vùng hóa trị. Trong đó, việc lựa chọn pha tạp nitrogen (N) được quan tâm hàng đầu vì các trạng thái (N-2p) của chúng nằm trong vùng cấm, lân cận biên vùng hóa trị của trạng thái (O-2p). Nhờ vậy, năng lượng vùng cấm quang (Eg) được thu hẹp lại, cỡ 2.45eV [11]. Tương tự, việc pha tạp Sulfur (S) cũng cho Eg hẹp, nhưng ít được sử dụng vì khó đưa vào tinh thể TiO2 do bán kính ion của S lớn.
Do đó, mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu chế tạo màng quang xúc tác TiO2 pha tạp N (TiO2:N) để ứng dụng trong vùng ánh sáng khả kiến. Có nhiều công trình nghiên cứu đề xuất các phương pháp khác nhau. Cụ thể, trong [3,14] các tác giả đã sử dụng phương pháp solgel. Đây là một phương pháp dễ triển khai ứng dụng, thiết bị chế tạo đơn giản nhưng luôn cho lượng pha tạp N nhỏ. Trong [5,8,13], các tác giả đã sử dụng phương pháp IBAD (ion beam assisted deposition) và PLD (pulse laser deposition). Đây là các phương pháp sử dụng chùm ion hoặc photon năng lượng cao để phún xạ vật liệu nên có khả năng cho lượng pha tạp N lớn. Tuy nhiên, các thiết bị chế tạo rất đắt tiền và khó triển khai tạo màng trên diện tích rộng. Với các hạn chế của các phương pháp nêu trên, đã xuất hiện nhiều công trình tập trung sự chú ý vào phương pháp phún xạ magnetron. Đây là một phương pháp dễ thực hiện được việc tạo màng trên diện tích rộng và có khả năng triển khai ứng dụng nhưng theo [4,13], kết quả nhận được lại cho lượng pha tạp N vẫn nhỏ. Kết quả trong [7] đạt được lượng tạp N lớn (lên đến 20.8%atN) nhưng màng lại chuyển sang cấu trúc TiN. Vì vậy, việc cải tiến phương pháp phún xạ magnetron nhằm chế tạo được màng TiO2:N có lượng pha tạp N lớn để có tính năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả kiến cũng là một yêu cầu có ý nghĩa khoa học cũng như tính thực tiễn ứng dụng cao.
Do đó mục tiêu của đề tài này là:
1) Cải thiện hệ magnetron DC để tạo màng TiO2:N có lượng pha tạp N cao.
2) Thiết kế hệ đo quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến.
3) Chế tạo và đo các đặc tính quang xúc tác của màng TiO2:N đã chế tạo.