Thạc Sĩ Nghiên cứu công nghệ chế tạo nano TiO2 và ứng dụng tạo màng phủ trên vật liệu gốm sứ

Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, trường Đại học
Bách khoa Hà Nội và viện Kỹ thuật Hóa học đã tạo điều kiện cho tôi được học tập
và làm nghiên cứu sinh, đã quan tâm động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu.
Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sự kính trọng đối với TS. Nguyễn Văn
Xá và TS. Phùng Lan Hương, các thầy cô đã nhận tôi là nghiên cứu sinh và hướng
dẫn trong suốt quá trình tôi thực hiện bản luận án này. Các thầy cô đã tận tình chỉ
bảo cả về lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống. Tôi đã học được rất nhiều
từ những điều chỉ dẫn, những buổi thảo luận chuyên môn và phong cách khoa học
trong công việc của các thầy cô. Tôi cảm phục những hiểu biết sâu sắc về chuyên
môn, những khả năng cũng như sự tận tình của các thầy cô. Tôi cũng rất biết ơn sự
kiên trì của các thầy cô đã đọc cẩn thận và góp ý kiến cho bản thảo của luận án.
Những kiến thức mà tôi nhận được từ các thầy cô không chỉ là bản luận án mà trên
hết là cách nhìn nhận, đánh giá cũng như phương thức giải quyết vấn đề một cách
toàn diện trong khoa học và sự trải nghiệm của cuộc sống. Tôi luôn kính trọng và
biết ơn các thầy cô.
Tôi xin trân trọng cám ơn GS. TS Phạm Văn Thiêm, GS. TS Nguyễn Hữu Tùng,
GS. TSKH Nguyễn Bin, PGS.TS. Trần Trung Kiên, TS. Nguyễn Quang Bắc, Bộ môn
Quá trình - Thiết bị, Bộ môn Hóa vô cơ - đại cương và các đồng nghiệp, đã giúp đỡ
tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện các thực nghiệm của luận án, đồng thời
có những đóng góp gợi mở quý báu trong quá trình tôi hoàn thiện luận án.
Cuối cùng, tôi muốn giành lời cảm ơn cho những người thân yêu nhất của tôi.
Bản luận án này là món quà quý giá tôi xin được tặng cho cha mẹ và gia đình thân
yêu của tôi.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Hồng PhượngLỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Nguyễn Văn Xá và TS. Phùng Lan Hương. Các kết quả nêu trong luận án là trung
thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào.
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Hồng PhượngMỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4
1.1 Vật liệu TiO2 và ứng dụng . 4
1.1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của TiO2 . 4
1.1.2 Cấu trúc của vật liệu TiO2 . 5
1.1.3 Cơ chế của phản ứng quang xúc tác với TiO2 kích thước nano mét 8
1.1.4 Vật liệu nano TiO2 12
1.1.4.1 Hiện tượng thấm ướt 14
1.1.4.2 Hiện tượng siêu thấm ướt của TiO2 . 15
1.1.4.3 Cơ chế siêu thấm ướt của màng TiO2 ở dạng anatase . 16
1.2 Ứng dụng của TiO2 18
1.2.1 Ứng dụng của TiO2 trên thế giới . 19
1.2.2 Ứng dụng của TiO2 tại Việt Nam . 21
1.2.3 Ứng dụng của màng nano TiO2 22
1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 26
1.3.1 Phương pháp sol-gel . 26
1.3.1.1 Quá trình sol-gel 26
1.3.1.2 Nghiên cứu chế tạo nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel 30
1.3.2 Phương pháp micell thuận và micelle đảo [Hóa học nano] 31
1.3.2.1 Micell thuận . 31
1.3.2.2 Micell đảo 32
1.3.4 Phương pháp thủy nhiệt 33
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34
2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng 34
2.1.1 Hóa chất 34
2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm . 34
2.1.3 Thiết bị phục vụ chế tạo và nghiên cứu 34
2.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 từ TTIP . 352.2.1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo sol nano TiO2 theo phương pháp sol-gel
35
2.2.3 Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 để thực hiện quy
hoạch thực nghiệm . 38
2.3. Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 .P25 trên ceramic 38
2.3.1 Phương pháp chế tạo sol TiO2 -P25 từ P25 (Degussa) . 38
2.3.2 Phương pháp chế tạo màng nano TiO2.P25 trên ceramic . 39
2.4 Phương pháp thực nghiệm đánh giá hiệu suất diệt khuẩn và nấm . 39
2.5 Quy hoạch thực nghiệm . 41
2.5.1 Xác định hệ . 41
2.5.2 Xác định cấu trúc của hệ . 42
2.5.3 Xác định hàm toán mô tả hệ . 43
2.5.4 Xác định các tham số của mô hình thống kê 43
2.5.5 Cơ sở chọn tâm thí nghiệm . 45
2.5.6 Kiểm tra tính có nghĩa của hệ số hồi quy . 46
2.5.7 Kiểm tra tính tương hợp của mô hình thống kê 47
2.6 Phương pháp quy hoạch hóa bậc 1 và bậc 2 [15,16] . 48
2.6.1 Quy hoạch tuyến tính bậc 1 48
2.6.2 Quy hoạch thực nghiệm bậc 2 50
2.6.3 Xác định các giá trị tối ưu của hàm mục tiêu . 53
2.7 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu . 54
2.7.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơn-ghen (XRD) . 54
2.7.2 Phương pháp quét hiển vi điện tử (SEM) . 55
2.7.3 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . 56
2.7.4 Phương pháp đường hấp phụ và khử hấp phụ ( BET)[14, 58] . 57
2.7.5 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis . 59
2.7.6 Phương pháp AFM [130] 60
2.7.7 Phương pháp phổ tán xạ micro-Raman 61
2.8 Kết luận chương 2 62CHƯƠNG 3. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ TỐI ƯU HÓA CÔNG
NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG NANO TiO2 TRÊN CERAMIC . 63
3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến cấu trúc, kích thước
tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn và diệt nấm của màng nano TiO2 trên
ceramic . 63
3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TTIP ban đầu đến cấu trúc, kích thước
tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên
ceramic . 63
3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể
nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic . 66
3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích axit HNO3 đến cấu trúc, kích thước tinh
thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic
68
3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể
nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic . 70
3.2 Tối ưu hóa công nghệ chế tạo tạo màng nano TiO2 . 73
3.2.1 Chọn các yếu tố ảnh hưởng . 73
3.2.2 Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu . 74
3.2.2.1 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu
được hiệu suất diệt khuẩn lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc một . 75
3.2.2.2 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu
được hiệu suất diệt nấm lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc 1 . 77
3.2.3 Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao 78
3.2.3.1 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu
được hiệu suất diệt khuẩn lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai . 82
3.2.3.2 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu
được hiệu suất diệt nấm lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai 86
3.2.4 Tối ưu hóa công nghệ tạo màng trên ceramic . 89
3.3 Cơ chế diệt khuẩn và diệt nấm của màng nano TiO2 . 91
3.4 Kết luận chương 3 92
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ HÓA VÀ KHẢ NĂNG
DIỆT KHUẨN, DIỆT NẤM CỦA MÀNG NANO TiO2 . 93
4.1 Nghiên cứu chế tạo sol nano TiO2 từ TTIP theo phương pháp sol-gel 93
4.2 Đặc trưng vật liệu TiO2 tối ưu tổng hợp bằng phương pháp sol-gel 954.2.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 96
4.2.2 Kiểm tra phân tích mẫu qua hiển vi điện tử quét (SEM) 97
4.2.3 Kết quả phân tích bằng phổ tán xạ Raman 98
4.2.4 Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis 99
4.2.6 Kết quả phân tích ảnh hiển vi điện tử (TEM) . 102
4.3 Đặc trưng màng nano TiO2 trên ceramic chế tạo bằng phương pháp phun phủ
103
4.3.1 Độ dày màng . 103
4.3.2 Ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM . 104
4.4 Khảo sát một số tính chất hóa lý của màng nano TiO2 106
4.4.1 Độ thấm ướt 106
4.4.2. Độ bền hóa học 107
4.4.3 Độ bền mài mòn 109
4.4.4 Xác định độ cứng theo thang Mohs 111
4.5 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của màng nano TiO2 trong Phòng thí
nghiệm 112
4.5.1 Chuẩn bị mẫu ceramic phủ sol nano TiO2 112
4.5.2 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu đã chế tạo 113
4.5.3 Đánh giá khả năng diệt nấm của vật liệu đã chế tạo . 117
4.6 Đánh giá khả năng diệt khuẩn, diệt nấm của vật liệu đã chế tạo tại điều kiện
thực tế . 119
4.6.1 Đánh giá khả năng diệt khuẩn trong điều kiện thực tế . 120
4.6.2 Đánh giá khả năng diệt nấm trong điều kiện thực tế 122
4.7 Kết luận chương 4 124
KẾT LUẬN 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO