Thạc Sĩ Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của màng TiO2 ZnO bằng phương pháp Solgel nhằm ứng dụng trong

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NĂM 2010



CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 1
1.1. Cấu trúc và tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2 . 1
1.1.1. Đặc điểm cấu trúc tinh thể của vật liệu Titandioxide TiO2 . 1
1.1.2. Tính chất quang xúc tác 4
1.1.2.1. Cơ chế quang xúc tác của chất bán dẫn
1.1.2.2. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile 6
1.1.2.3. Cơ chế quang xúc tác của TiO2 - Tính chất phân hủy hợp
chất hữu cơ [3]. . 7
1.1.2.4. Tính chất quang siêu thấm ướt nước của màng TiO2
[3,4,5,6]9
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu quang xúc tác TiO2 [3] . 13
1.1.3.1. Vật liệu tự làm sạch bề mặt . 13
1.1.3.2. Chống mờ bề mặt 13
1.1.3.3. Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm 14
1.1.3.4. Tiêu diệt các tế bào ung thư 14
1.1.3.5. Xử lý nước bị ô nhiễm 14
1.1.3.6. Xử lý không khí ô nhiễm . 15
1.2. Cấu trúc và tính chất quang xúc tác của vật liệu ZnO . 15
1.2.1. Tính chất vật liệu ZnO 15
1.2.1.1. Tính chất chung của ZnO 15
1.2.1.2. Tính chất vật lý của ZnO . 16
1.2.1.3. Tính chất cơ học của ZnO . 16
1.2.1.4. Tính chất điện của ZnO . 17
1.2.1.5. Tính chất quang xúc tác 17
1.2.2. Ứng dụng của nano ZnO . 18
1.2.2.1. Ứng dụng trong sensor khí 18
1.2.2.2. Ứng dụng trong quang xúc tác 19
1.3. Phương pháp Solgel . 20
1.3.1. Giới thiệu [5,7,12] . 20
1.3.2. Các khái niệm cơ bản [4,5,7] 21
1.3.2.1. Sol 21
1.3.2.2. Gel . 22
1.3.2.3. Precursor 22
1.3.3. Quá trình solgel và các yếu tố ảnh hưởng . 22
1.3.3.1. Quá trình sol-gel 22
1.3.3.2. Cơ chế hiện tượng . 22
1.3.3.3. Cơ chế hóa học 23
1.3.3.4. Các giai đoạn chính . 25
1.3.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sol-gel 25
1.3.4. Quá trình phủ màng và các yếu tố ảnh hưởng 28
1.3.4.1. Phủ nhúng (dip coating) 29
1.3.4.2. Phủ quay (spin coating) . 30
1.3.4.3. Phủ phun (spray coating) 32
1.3.5. Quá trình nung và ủ nhiệt 33
1.3.5.1. Sự hình thành ứng suất của màng . 33
1.3.5.2. Hiện tượng nứt vĩ mô và nứt vi mô (Macroscopic cracking
và microscopic cracking): . 34
1.3.6. Ưu điểm và nhược điểm trong phương pháp solgel [5]: . 35
1.3.6.1. Ưu điểm . 35
1.3.6.2. Nhược điểm . 36
1.4. Các phương pháp phân tích mẫu 36
1.4.1. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (phổ UV-vis) . 36
1.4.2. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) [9] . 39

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ BÀN LUẬN . 41

2.1. Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ 41
2.1.1. Hóa chất 41
2.1.2. Dụng cụ . 41
2.2. Tổng hợp vật liệu TiO2 . 42
2.2.1. Sơ đồ tạo sol TiO2 . 42
2.2.2. Các bước tiến hành 43
2.3. Tổng hợp vật liệu ZnO . 44
2.3.1. Sơ đồ tạo sol ZnO . 44
2.3.2. Các bước tiến hành 45
2.3.3. Quá trình hình thành sol ZnO [15, 16] 46
2.4. Tổng hợp vật liệu TiO2:ZnO 48
2.4.1. Sơ đồ tạo sol 48
2.4.2. Tạo màng TiO2:ZnO .
2.4.2.1. Phủ màng 1 lớp 50
2.4.2.2. Phủ màng nhiều lớp . 50
2.4.3. Hình thành tinh thể TiO2:ZnO mẫu bột 53
2.4.4. Khảo sát tính năng quang xúc tác dựa vào khả năng phân hủy MB . 55

KẾT LUẬN . 58

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, vấn đề xử lí môi trường đã trở thành một vấn đề cấp bách trên
toàn cầu. Đã có rất nhiều công trình khoa học ở rất nhiều các lĩnh vực nghiên
cứu về xử lí môi trường. Một trong những giải pháp được các nhà khoa học
quan tâm nhất trong những năm gần đây là sử dụng các vật liệu có tính năng
quang xúc tác như: TiO2, ZnO, SnO2
Vật liệu TiO2 là chất bán dẫn có tính năng quang xúc tác rất mạnh trong
việc ứng dụng môi trường và đã có rất nhiều công trình trong và ngoài nước
nghiên cứu vật liệu này. Với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV – 3,5eV, vật liệu
TiO2 chỉ có thể cho hiệu ứng xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV). Tuy
nhiên, trong tự nhiên, bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 4%-5% năng lượng Mặt
Trời nên hiệu ứng xúc tác ngoài trời thấp [25], trong khi đó bức xạ khả kiến
chiếm đến khoảng 45% năng lượng Mặt Trời. Đã có tác giả pha tạp N với TiO2
bằng phương pháp phún xạ magnetron nhằm mở rộng phổ hấp thu TiO2 về vùng
ánh sáng khả kiến, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền và khó
pha tạp N với nồng độ cao.
Bên cạnh đó, ZnO cũng là vật liệu có tính quang xúc tác cũng khá phổ biến
và độ rộng vùng cấm của ZnO gần bằng TiO2 (3.2-3.37 eV). Đối với các ứng
dụng khoa học vật liệu, zinc oxide có hệ số khúc xạ cao, tính ổn định nhiệt cao, có
đặc tính liên kết, diệt khuẩn, bảo vệ khỏi tia cực tím. Do đó, ZnO được pha tạp vào
các vật liệu và sản phẩm khác. Ngoài ra, một trong các ứng dụng chính của ZnO là
trong sensor khí: cảm biến khí có vai trò quan trọng trong việc phát hiện, giám sát
và khống chế sự tồn tại của các khí nguy hiểm và độc hại với nồng độ rất thấp
trong khí quyển.
Vì vậy, nhằm sử dụng trực tiếp năng lượng Mặt Trời có hiệu quả hơn,
tác giả đã nghiên cứu mở rộng phổ hấp thu TiO2 về vùng ánh sáng khả kiến
bằng cách tổng hợp màng và bột TiO2 pha tạp với ZnO bằng phương pháp sol
gel, đây là phương pháp cho độ tinh khiết cao và có thể pha tạp với nồng độ
cao. Sau đó tác giả dùng các phương pháp quang phổ để khảo sát tính năng
quang xúc tác của vật liệu TiO2 pha tạp ZnO nhằm ứng dụng trong quang xúc
tác.