Thạc Sĩ NGHIÊN cứu CHẾ tạo MÀNG MỎNG tio2 NHẰM CHO mục TIÊU ỨNG DỤNG QUANG xúc tác

MỤC LỤC
Nguy n Xuân V n ễ ă 1
HÀ N I - 2011 Ộ 1
Nguy n Xuân V n ễ ă 2
HÀ N I - 2011 Ộ 2
M C L C Ụ Ụ 6
M U ỞĐẦ .1
Ch ng 1. T NG QUAN ươ Ổ .3
1.1. V t li u TiO2 ậ ệ .3
1.1.1. Gi i thi u v t li u TiO2 ớ ệ ậ ệ 3
1.1.2. C u trúc c a v t li u TiO2 ấ ủ ậ ệ 4
1.2. V t li u TiO2 nanomet ậ ệ 8
1.2.1.1. C ch ph n ng xúc tác quang d th ơ ế ả ứ ị ể 9
1.2.2.2. V t li u TiO2 pha t p các nguyên t phi kim ậ ệ ạ ố .17
1.3.2. Các ng d ng khác c a v t li u TiO2 ứ ụ ủ ậ ệ 19
1.3.2.1. ng d ng l m xúc tác quang x lý môi tr ng Ứ ụ à ử ườ 19
1.3.2.2. ng d ng l m ch t n trong các l nh v c s n t l m s ch Ứ ụ à ấ độ ĩ ự ơ ự à ạ 19
1.3.2.3. X lý các ion kim lo i n ng trong n c [1][2] ử ạ ặ ướ .20
1.3.2.4. M t s ng d ng khác ộ ố ứ ụ 21
Ch ng 2. TH C NGHI M ươ Ự Ệ .22
2.1. Ch t o v t li u m ng TiO2 ế ạ ậ ệ à .22
2.1.1. Ch t o m u TiO2 d ng sol ế ạ ẫ ạ 22
2.1.1.1.Quy trình th c nghi m ự ệ .22
2.1.1.2.Các ph n ng hóa h c x y ra trong quy trình th c nghi m ả ứ ọ ả ự ệ 23
2.1.2. Ch t o m u m ng m ng TiO2 ế ạ ẫ à ỏ 25
2.1.3. Pha t p N v o m u m ng m ng TiO2 ạ à ẫ à ỏ 27
2.2. Các k thu t o kh o sát tính ch t c a v t li u TiO2 pha t p N ĩ ậ đ ả ấ ủ ậ ệ ạ 28
2.2.1. Phép o nhi u x tia X (XRD) đ ễ ạ 28
2.2.2. K thu t hi n vi i n t quét (SEM) ỹ ậ ể đ ệ ử 28
2.2.3. o d y v b m t m ng b ng Profiler Đ độ à à ề ặ à ằ 29
2.2.4. Ph h p th UV-VIS ổ ấ ụ 29
Ch ng 3. K T QU VÀ TH O LU N ươ Ế Ả Ả Ậ 30
3.3. K t qu ch p FESEM ế ả ụ 35
3.4. K t qu o d y v b m t m ng b ng Profiler ế ả đ độ à à ề ặ à ằ .37
3.5. K t qu o ph h p th ế ả đ ổ ấ ụ .38
3.6. K t qu o truy n qua ế ả đ độ ề 40
K T LU N Ế Ậ .42
TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả .43MỞ ĐẦU
Mặt trời cung cấp cho bề mặt trái đất một lượng năng lượng khổng lồ vào khoảng
3.10 24 J/năm. Việc nghiên cứu chuyển hóa có hiệu quả nguồn năng lượng này thành
các dạng hữu dụng khác phục vụ đời sống con người là một trong những thách thức
đối với sự phát triển nghiên cứu khoa học và công nghệ trong tương lai. Một trong
những hướng nghiên cứu đó là sử dụng các chất bán dẫn đóng vai trò quang xúc tác để
chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện hoặc hóa học.
Titanium Dioxide (TiO 2 ) là chất xúc tác bán dẫn. Gần một thế kỷ trở lại đây, bột
TiO 2 với kích thước cỡ µm đã được điều chế ở quy mô công nghiệp và được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn trong cao su, nhựa, giấy, sợi vải,
làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ [3]. Gần đây, TiO 2 tinh thể kích thước nm ở
các dạng thù hình rutile, anatase, hoặc hỗn hợp rutile và anatase, và brookite đã được
nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nước và làm vật
liệu quang xúc tác tổng hợp các hợp chất hữu cơ, xử lý môi trường, chế tạo sơn tự làm
sạch, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến và trong lĩnh vực diệt khuẩn [4,5]. Các ứng
dụng mới của vật liệu TiO 2 kích thước nm chủ yếu dựa vào tính oxy hoá khử mạnh của
nó. Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO 2 được cho
là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng và
thách thức từ sự ô nhiễm. TiO 2 đồng thời cũng được hy vọng sẽ mang đến những lợi
ích to lớn trong vấn đề khủng hoảng năng lượng qua sử dụng năng lượng mặt trời dựa
trên tính quang điện và khả năng phân tách nước.
Tuy nhiên do độ rộng vùng cấm của Titanium Dioxide khá lớn (3,25 eV đối với
anatase và 3,05 eV đối với rutile) nên chỉ ánh sáng tử ngoại (UV) với bước sóng λ <
380 nm mới kích thích được điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và gây ra hiện tượng
quang xúc tác. Điều này, hạn chế khả năng quang xúc tác của Titanium Dioxide, thu
hẹp phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Để sử dụng được ánh sáng mặt trời vào quá
trình quang xúc tác của Titanium Dioxide, cần thu hẹp vùng cấm của nó. Để thực hiện
mục đích này nhiều ion kim loại và phi kim đã được sử dụng để thay đổi các thù hình
của Titanium Dioxide. Có thể thực hiện thay đổi cấu trúc của Titanium Dioxide bằng
các phương pháp: sol – gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, hoặc thay đổi bề mặt với các
phương pháp tẩm, nhúng, phun, hấp phụ,
Pha tạp TiO 2 bằng những ion phi kim khác nhau là cách thức hiệu quả để mở
rộng ánh sáng hấp phụ từ vùng UV sang vùng nhìn thấy và giảm sự tái kết hợp của
những electron và lỗ trống được phát quang của TiO 2 . Đã có một số bài báo về sự tổng
1hợp chất quang xúc tác TiO 2 pha tạp N như của nhóm tác giả R. Asahi, T. Morikawa,
T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium
oxides [6]; T. Morikawa, R. Asahi, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Band-gap
narrowing of titanium dioxide by nitrogen doping [7]; H. Irie, Y. Watanabe, K.
Hashimoto, Nitrogen-concentration dependence on photocatalytic activity of
TiO 2 K x N x powders [8], .
Từ những nghiên cứu nền tảng đó, với mong muốn được đóng góp một phần nhỏ
cho việc tìm kiếm vật liệu quang xúc tác nền TiO 2 hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn
thấy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO 2
nhằm cho mục tiêu ứng dụng quang xúc tác”.