Thạc Sĩ Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc và tính chất TiO2 kích thước nano mét được biến tính bằng lưu

MỞ ĐẦU
Mặt trời cung cấp cho bề mặt trái đất một lượng năng lượng khổng lồ vào khoảng 3.1024 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.
Titan đioxit (TiO2) là chất xúc tác bán dẫn. Gần một thế kỷ trở lại đây, bột TiO2 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 [16]. Gần đây, bột TiO2 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 sơn tự làm sạch, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến và trong lĩnh vực diệt khuẩn [21,29]. Các ứng dụng mới của vật liệu TiO2 kích thước nm chủ yếu dựa vào tính chất bán dẫn của nó. Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO2 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. TiO2 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 thiết bị phân tách nước.
Tuy nhiên do dải - trống của titan đioxit khá lớn (3,25 eV đối với anatase và 3,05 eV đối với rutile) nên chỉ ánh sáng tử ngoại với bước sóng < 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 titan đioxit, 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 titan đioxit, cần thu hẹp dải trống của nó. Để thực hiện mục đích này nhiều ion kim loại và không kim loại đã được sử dụng để biến tính hoặc kích hoạt (doping) các thù hình của titan đioxit. Có thể thực hiện biến tính cấu trúc của titan đioxit bằng các phương pháp sol – gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, hoặc biến tính bề mặt với các phương pháp tẩm, nhúng, phun, hấp phụ,
Biến tính TiO2 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 TiO2. Từ khi Umebayashi đã công bố rằng việc biến tính S đã chuyển giới hạn hấp thụ của TiO2 sang mức năng lượng thấp hơn [37], thể hiện bằng sự phân hủy quang xúc tác của xanh metylen dưới bức xạ nhìn thấy, nhiều nghiên cứu đã tiến hành trên TiO2 biến tính S [42] . Tuy nhiên, việc biến tính S đạt được tiến hành bằng quá trình nhiệt độ cao, sử dụng những chất đầu hoặc những thiết bị điều chế đắt tiền. Để giảm sự lãng phí năng lượng, việc tiến hành ở nhiệt độ cao thường dẫn diện tích bề mặt thấp do sự thiêu kết không mong muốn của các tinh thể nano. Đã có một số bài báo về sự tổng hợp chất quang xúc tác TiO2 biến tính S có hoạt tính quang xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy bằng phương pháp thủy phân đơn giản - phương pháp tiếp cận đầy hứa hẹn để điều chế nhiều loại vật liệu vô cơ khác nhau ở dạng tinh thể nano.
Từ những nghiên cứu nền tảng đó, với mong muốn được đóng góp một phần nhỏ cho sự phát triển của ngành vật liệu mới, tác giả đã nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc và tính chất TiO2 kích thước nano mét được biến tính bằng lưu huỳnh”.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 - TỔNG QUAN 3
1.1. Giới thiệu về titan đioxit kích thước nano mét 3
1.1.1. Cấu trúc và tính chất vật lý của titan đioxit 3
1.1.2. Tính chất hóa học của titan đioxit kích thước nano mét 6
1.1.2. Các phương pháp điều chế titan đioxit kích thước nano mét 7
1.2. Giới thiệu về titan đioxit kích thước nano mét biến tính 11
1.2.1. Các kiểu titan đioxit biến tính 11
1.2.2. Tổng hợp vật liệu titan đioxit biến tính .12
1.2.2.1. Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các kim loại 12
1.2.2.2. Vật liệu TiO2 được biến tính bởi các nguyên tố phi kim 14
1.2.3. Vật liệu TiO2 biến tính lưu huỳnh 16
1.3. Cơ chế của phản ứng quang xúc tác với TiO2 kích thước nano mét 21
1.4. Các ứng dụng của TiO2 và TiO2 biến tính kích thước nano mét 24
1.5. Các phương pháp nghiên cứu 28
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28
1.5.2. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit 30
1.5.3. Phương pháp TEM 31
1.5.4. Phương pháp phân tích nhiệt 32
1.6. Mục đích và nội dung nghiên cứu của luận văn 33
1.6.1. Mục đích nghiên cứu 33
1.6.2. Nội dung nghiên cứu 33
Chương 2 - THỰC NGHIỆM 34
2.1. Hóa chất và thiết bị 34
2.1.1. Hóa chất 34
2.1.2. Dụng cụ thiết bị 34
2.2 Phương pháp thực nghiệm 35
2.2.1. Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thước nano mét biến tính lưu huỳnh bằng phương pháp thủy phân TiCl4 trong dung dịch Na2SO4 35
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thước nano mét biến tính lưu huỳnh bằng phương pháp thủy phân TiCl4 trong dung dịch H2SO4 36
2.3 Phương pháp nghiên cứu 38
2.3.1.Phương pháp XRD 38
2.3.2. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit 39
2.3.3. Phương pháp tính hiệu suất quá trình điều chế 40
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41
3.1. Điều chế bột titan đioxit kích thước nano mét biến tính lưu huỳnh bằng phương pháp thủy phân TiCl4 trong dung dịch Na2SO4 41
3.1.1.Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ % mol Na2SO4/TiO2 trong dung dịch khi thủy phân 41
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 48
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung. 51
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 54
3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 57
3.2. Điều chế TiO2 biến tính S bằng phương pháp thủy phân TiCl4 trong dung dịch axit H2SO4 60
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ % mol H2SO4/TiO2 trong dung dịch khi thủy phân 60
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 63
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung. 66
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 68
KẾT LUẬN 71
Tài liệu tham khảo 73