BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o CAO XUÂN THẮNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO NANO TINH THỂ TiO2 Ở NHIỆT ĐỘ THẤP Chuyên ngành QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số 62 5[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - o0o CAO XUÂN THẮNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO NANO TINH THỂ TiO2 Ở NHIỆT ĐỘ THẤP Chun ngành: Q TRÌNH & THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số: 62.52.77.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2012 Vật liệu nano tinh thể TiO2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực Các số liệu kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Hà Nội, 2012 Tác giả Cao Xuân Thắng Vật liệu nano tinh thể TiO2 LỜI CẢM ƠN Bản luận án hoàn thành hướng dẫn nhiệt tình GS.TS Phạm Văn Thiêm, TS Nguyễn Văn Xá Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành giúp đỡ tận tình thầy Bộ mơn Q trình & Thiết bị Cơng nghệ Hóa, nhiều ý kiến có giá trị khoa học để luận án đạt kết tốt Tác giả xin gửi lời cám ơn tới cán Viện Nghiên cứu & Phát triển Sản phẩm Tự nhiên, tiền thân Trung tâm Giáo dục & Phát triển Sắc ký - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội khóa sinh viên chuyên ngành Q trình Thiết bị & Cơng nghệ hóa cộng tác, trao đổi, thảo luận đóng góp cho luận án Sự ủng hộ động viên gia đình chỗ dựa vững Tác giả xin bày tỏ trân trọng lòng biết ơn sâu nặng Hà Nội, 2012 Tác giả Cao Xuân Thắng Vật liệu nano tinh thể TiO2 KÝ HIỆU MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT TTIP Tetraisopropoxide CMC Nồng độ chất hoạt động bề mặt PEPECOO-NH+ Carboxylate perfluoropolyether TOPO Triotylphosphine CVD Lắng đọng hóa học PVD Lắng đọng vật lý SEM Hiển vi điện tử quyét TEM Hiển vi điện tử truyền qua X- Ray Nhiễu xạ tia X Micro Raman Tán xạ Micro Raman Vật liệu nano tinh thể TiO2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Nồng độ mol cấu tử j (kmol/m3) D Hệ số khuếch tán (m2/h) Hệ số cấp khối (m/h) Dòng phát sinh (kmol/m3h) Vận tốc dòng đối lưu (m/h) Hệ số tỷ lượng Tốc độ phản ứng Nồng độ TiCl4 thời gian t = τ (mol/ml) Nồng độ TiCl4 thời điểm ban đầu (t=0) (mol/ml) Hằng số tốc độ phản ứng (s-1) Bậc phản ứng m Khối lượng sản phẩm TiO2 thu sau trình tổng hợp yu Giá trị đo lần lặp thứ u S2i Phương sai chung S2ts Phương sai tái sinh chung fi Số bậc tự mẫu Vật liệu nano tinh thể TiO2 fts Số bậc tự phương sai chung Sts Sai số tái sinh yi Giá trị thực nghiệm i t(p,f2) Giá trị tính từ hàm hồi quy lý thuyết Tiêu chuẩn Student tra bảng mức có nghĩa p bậc tự lặp f2 Sb Độ lệch chuẩn phân bố b y0a Giá trị thực nghiệm lặp thứ a F(p,f1,f2) Giá trị trung bình cộng thực nghiệm lặp Chuẩn số fisher (mức có nghĩa p, bậc tự dư f1 = N-l, bậc tự lặp f2 = m-1) l Hệ số có nghĩa mô tả thống kê T Nhiệt độ tiến hành phản ứng tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 Q1 Lưu lượng nước vào thiết bị nhiệt độ phản ứng (lít/phút) Q2 Lưu lượng TiCl4 vào thiết bị nhiệt độ phản ứng (lít/phút) V1 Phần thể tích tiêu hao nước sau q trình tổng hợp (ml) V2 Phần thể tích tiêu hao TiCl4 sau trình tổng hợp (ml) t Thời gian tiến hành phản ứng (phút) τ Thời gian lưu tiền chất TiCl4 thiết bị phản ứng (phút) Vật liệu nano tinh thể TiO2 η Hiệu suất phản ứng r Kích thước tinh thể (nm) λ Bước sóng tia X Cu (0,154056 nm) β Bán độ rộng vạch quang phổ (radian) θ Góc xuất nhiễu xạ cực đại (độ) Hàm mục tiêu (hàm hiệu suất) Z1 Biến thực lưu lượng nước vào thiết bị nhiệt độ PƯ Z2 Biến thực lưu lượng TiCl4 vào thiết bị nhiệt độ PƯ Z3 Biến thực nhiệt độ PƯ x1 Biến mã lưu lượng nước vào thiết bị nhiệt độ PƯ x2 Biến mã lưu lượng TiCl4 vào thiết bị nhiệt độ PƯ x3 Biến mã nhiệt độ PƯ E Năng lượng hoạt hóa (J/mol) R2 Hệ số tuyến tính Vật liệu nano tinh thể TiO2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thơng số nano TiO2 Bảng 3.1 Số liệu thực nghiệm xác định nước quy mô (M1)…… 69 Bảng 3.2 Số liệu thực nghiệm xác định TiCl4 quy mô (M1)………………70 Bảng 3.3 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 2500C quy mô (M1) .72 Bảng 3.4 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3000C quy mô (M1)…………72 Bảng 3.5 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3500C quy mô (M1)…………73 Bảng 3.6 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 4000C quy mô (M1)…………74 Bảng 3.7 Số liệu thực nghiệm quy mô nhỏ (M1) nhiệt độ khác 75 Bảng 3.8 Ma trận thực nghiệm kế hoạch bậc quy mô (M1)……… 76 Bảng 3.9 Số liệu thực nghiệm xác định nước quy mô (M2)…… 78 Bảng 3.10 Số liệu thực nghiệm xác định TiCl4 quy mô (M2)… ………….80 Bảng 3.11 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 2500C quy mô (M2) 81 Bảng 3.12 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3000C quy mô (M2) ………82 Bảng 3.13 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3500C quy mô (M2…………82 Bảng 3.14 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 4000C quy mô (M2) ………83 Bảng 3.15 Số liệu thực nghiệm quy mô nhỏ (M2) nhiệt độ khác 84 Bảng 3.16 Ma trận thực nghiệm kế hoạch bậc quy mô (M2)……… 85 Bảng 3.17 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 2500C quy mô (M1)……….88 Bảng 3.18 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3000C quy mô (M1)……….89 Bảng 3.19 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3500C quy mô (M1)……….90 Bảng 3.20 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 4000C quy mô (M1)……….91 Bảng 3.21 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 2500C quy mô (M1)……….92 Bảng 3.22 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3000C quy mô (M1)……….93 Bảng 3.23 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 3500C quy mô (M1)……….94 Bảng 3.24 Bảng số liệu thực nghiệm nhiệt độ 4000C quy mô (M1)……….95 Vật liệu nano tinh thể TiO2 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc anatase rutile, thể nhóm bát diện (TiO62) Hình 1.2 Cơ chế kết tinh hạt TiO2 siêu mịn Hình 1.3 Giản đồ lượng Anatase Rutile……………………… .10 Hình 1.4 Sự hình thành gốc OH* O2 (trừ) .11 Hình 1.5 Ứng dụng TiO2 phủ màng kính …………….…… .13 Hình 1.6 Ứng dụng nano TiO2 lĩnh vực xử lý mơi trường…………….14 Hình 1.7 Ứng dụng phủ màng TiO2 lên dụng cụ thuỷ tinh dùng sinh hoạt……………………………………………………………………………… 14 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên tắc chế quang xúc tác TiO2 với việc sử dụng chất mầu…………………………………………………………………….………….15 Hình 1.9 Sơ đồ tổng hợp theo phương pháp sol – gel…………………………….19 Hình 1.10 Ảnh TEM hạt nano TiO2 từ phản ứng TiCl4 TTIP TOPO/heptadecan 3000C………………………………………………… 21 Hình 1.11 Ảnh TEM bột nano TiO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt ……………………………………………………………………… ……… 23 Hình 1.12 Ảnh SEM nano cuộn tổng hợp phương pháp oxy hóa trực tiếp ……………………………………………………………… ………….24 Hình 1.13 Nano TiO2 dạng ống tổng hợp phương pháp siêu âm……………………………………………………………………… ………26 Hình 1.14 Sơ đồ chuyển hóa từ khí sang rắn…………………………… …….…27 Hình 1.15 Sơ đồ chuyển hóa giọt lỏng - hạt…………………………… …….…28 Hình 1.16 Buồng phản ứng bột TiO2 phương pháp oxy hóa…………… 31 Hình 1.17 Sơ đồ thực nghiệm chế tạo bột TiO2 phương pháp oxy hóa…….31 Hình 1.18 Mơ hình sản xuất vật liệu nano TiO2 pha nhiệt độ cao (clo hóa)…….……………………………………………………………….……… 33 Vật liệu nano tinh thể TiO2 Hình 1.19 Cơ chế hình thành cầu nối o-xo……………………………….………34 Hình 1.20 Sơ đồ thực nghiệm sản xuất bột nano Titan theo phương pháp Aerosol nhiệt độ thấp…………………………………………………………… ……….35 Hình 1.21 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu bột chế tạo điều kiện khác nhau……………………………………………………………………………….37 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm sản xuất TiO2 phương pháp Aerosol nhiệt độ thấp quy mô nhỏ (M1)……………………… …………………………………… 38 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm sản xuất TiO2 phương pháp Aerosol nhiệt độ thấp quy mơ vừa (M2)….……………………………………………………………41 Hình 2.3 Mơ hình đẩy lý tưởng……….………………………………………….43 Hình 2.4 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ số hữu hạn mặt phẳng (N mặt phẳng) ……………………………………………………………………………………46 Hình 2.5 Quan hệ góc lệch pha δ góc ∆ θ tia nhiễu xạ 52 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X……………………………………54 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ đo Raman LABRAM………………………… 55 Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động đo phân bố kích thước hạt…………………… 57 Hình 2.9 Ngun tắc hoạt động máy SEM……………………………… 58 Hình 2.10 Cấu trúc máy SEM….………………………………………… 60 Hình 2.11 Cấu tạo súng phóng điện tử….…………………………………… 62 Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động thấu kính từ TEM………….…64 Hình 2.13 Kính hiển vi điện tử truyền qua………………………………….… 65 Hình 3.1 Mơ hình tạo nước quy mơ (M1)…………………………….… 67 Hình 3.2 Đường chuẩn thực nghiệm lưu lượng ẩm quy mơ (M1)……68 Hình 3.3 Mơ hình tạo TiCl4 quy mơ (M1)…………………………….… 69 Hình 3.4 Đường chuẩn thực nghiệm lưu lượng TiCl4 quy mơ (M1)…70 Hình 3.5 Mơ hình tạo nước quy mơ (M2) …………………………….…71 Hình 3.6 Đường chuẩn thực nghiệm lưu lượng ẩm quy mô (M2)… 77 Vật liệu nano tinh thể TiO2 Hình 3.7 Mơ hình tạo TiCl4 quy mơ (M2)…………………………….… 79 Hình 3.8 Đường chuẩn thực nghiệm lưu lượng TiCl4 quy mô (M2)…80 Hình 3.9 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 2500C quy mơ (M1)……89 Hình 3.10 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 3000C quy mơ (M1) 90 Hình 3.11 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 3500C quy mơ (M1) 91 Hình 3.12 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 4000C quy mơ (M1) 92 Hình 3.13 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 2500C quy mơ (M2) 93 Hình 3.14 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 3000C quy mơ (M2) 94 Hình 3.15 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 3500C quy mơ (M2) 95 Hình 3.16 Đồ thị so sánh thực nghiệm mơ hình 4000C quy mơ (M2) 96 Hình 3.17 Quan hệ số vận tốc nhiệt độ 97 Hình 3.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột nano TiO2 Nhật (7nm)…………99 Hình 3.19 Giản đồ nhiễu xạ bột nano TiO2 Đức kích thước 25nm (P25) 99 Hình 3.20 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 2500C quy mơ (M1) 100 Hình 3.21 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 3000C quy mơ (M1)….100 Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 chế tạo 2500C…………….101 Hình 3.23 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 chế tạo 3000C.……………101 Hình 3.24 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 chế tạo 3500C…………….102 Hình 3.25 Giản đồ nhiễu xạ mẫu bột nano TiO2 chế tạo 4000C…………….102 Hình 3.26 Phổ Micro-Raman mẫu bột TiO2 chế tạo 2500C quy mơ (M1)….103 Hình 3.27 Phổ Micro-Raman mẫu bột TiO2 chế tạo 3000C quy mơ (M1)….103 Hình 3.28 Phổ Micro-Raman mẫu bột TiO2 chế tạo nhiệt độ khác nhau, so với bột TiO2 thương phẩm 104 Hình 3.29 So sánh phổ Raman bột nano tinh thể với bột tinh thể anatase kích thước micron………………………………………………………………….105 Hình 3.30 Cấu trúc ô mạng sở TiO2………………………………105 Vật liệu nano tinh thể TiO2 Hình 3.31 Đoạn phổ vùng ~ 145 cm-1 vạch phổ Raman bột TiO2 …………………………………………………………………………………106 Hình 3.32 Đoạn phổ vùng ~ 400 cm-1 vạch phổ Raman bột TiO2 106 Hình 3.33 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 2500C quy mô (M1)…………… 107 Hình 3.34 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 3000C quy mơ (M1)…………… 108 Hình 3.35 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 2500C quy mô (M2)…………… 108 Hình 3.36 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 3000C quy mơ (M2)…………… 109 Hình 3.37 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 3500C quy mô (M2)…………… 109 Hình 3.38 Ảnh SEM mẫu bột chế tạo 4000C quy mơ (M2)…………… 110 Hình 3.39 Ảnh SEM mẫu bột P25…………………………………………… 110 Hình 3.40 Ảnh TEM mẫu bột P25…………………………………………… 111 Hình 3.40 Ảnh TEM mẫu bột chế tạo 2500C quy mơ (M2)…………… 112 Hình 3.42 Ảnh TEM mẫu bột chế tạo 3000C quy mô (M2)…………… 112 Hình 3.43 Phân bố kích thước mẫu bột chế tạo 2500C quy mơ (M2)… 113 Hình 3.44 Phân bố kích thước mẫu bột chế tạo 3000C quy mơ (M2).… 114 Hình 3.45 Phân bố kích thước mẫu bột chế tạo 3500C quy mô (M2)… 114 Hình 3.46 Phân bố kích thước mẫu bột chế tạo 4000C quy mô (M2)……115 Vật liệu nano tinh thể TiO2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Mục đích luận án………………………………….………………………… Đối tượng phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học, thực tiễn đóng góp luận án .3 Bố cục luận án… Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu trúc tinh thể tính chất vật liệu nano TiO2 ………………………… 1.3 Các tính chất nano TiO2 10 1.3.1 Đặc tính quang xúc tác 10 1.3.2 Đặc tính quang điện 15 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nước 16 1.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2…………………………… ….18 1.5.1 Phương pháp sol-gel 18 5.2 Phương pháp micell, micell đảo 20 5.3 Phương pháp sol… .21 5.4 Phương pháp thủy nhiệt 22 5.5 Phương pháp dung nhiệt… 23 5.6 Phương pháp ơxy hóa trực tiếp .24 5.7 Phương pháp lắng đọng pha hóa học 24 Vật liệu nano tinh thể TiO2 5.8 Phương pháp lắng đọng pha vật lý 25 5.9 Phương pháp mạ điện 25 5.10 Phương pháp siêu âm 26 5.11 Phương pháp vi sóng 27 5.12 Phương pháp aerosol…………………………… …………………………27 5.12.1 Cơ sở lý thuyết… …………………………… …………………………27 5.12.2 Tổng hợp vật liệu nano TiO2 phương pháp aerosol nhiệt độ cao.29 5.12.3 Tổng hợp vật liệu nano TiO2 phương pháp aerosol nhiệt độ thấp (thủy phân pha hơi)……………………………… …………………………33 Chương II: HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NANO TINH THỂ TiO2 40 2.1 Mơ hình thực nghiệm… 40 2.1.1 Mơ hình thực nghiệm với hệ thống quy mô nhỏ (M1) 40 2.1.2 Mơ hình thực nghiệm với hệ thống quy mơ vừa (M2) 42 2.2 Phương pháp mơ hình tốn hệ thống thiết bị, mơ hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp vật liệu nano TiO2……………………………… 44 2.2.1 Xây dựng mô hình tốn……………………… … .44 2.2.2 Quy hoạch thực nghiệm mơ tả q trình hóa học… 47 2.3 Các phương pháp kiểm tra tính chất vật liệu nano TiO2 51 2.3.1 Các phương pháp kiểm tra cấu trúc vật liệu 51 2.3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X…………………… … 51 2.3.1.2 Phương pháp phổ tán xạ micro Raman………… ……………………… 56 2.3.2 Các phương pháp kiểm tra kích thước vật liệu 58 2.3.2.1 Phương pháp phân bố kích thước hạt 58 2.3.2.2 Phương pháp ảnh SEM 60 2.3.2.3 Phương pháp ảnh TEM 64 Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………… …………………… 68 Vật liệu nano tinh thể TiO2 3.1 Xây dựng mô hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 .68 3.1.1 Xây dựng đường chuẩn trình thực nghiệm quy mơ nhỏ (M1) .68 3.1.2 Xây dựng mơ hình thống kê quy mơ nhỏ (M1) 72 3.1.3 Xây dựng đường chuẩn q trình thực nghiệm quy mơ vừa (M2) .77 3.1.4 Xây dựng mơ hình thống kê quy mơ vừa (M2) 81 3.2 Xây dựng mơ hình tốn q trình tổng hợp .86 3.3 Kết phân tích vật liệu nano TiO2… 97 3.3.1 Kết nhiễu xạ tia X (X-ray) .97 3.3.2 Kết phổ Micro Raman… 103 3.3.3 Kết ảnh SEM…………… 107 3.3.4 Kết ảnh TEM…………… 111 3.3.5 Kết phân bố kích thước hạt 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 DANH MỤC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………… 119 PHỤ LỤC……………… .128 Vật liệu nano tinh thể TiO2 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Titan đioxit sử dụng rộng rãi làm bột mầu[38], kem chống nắng[39,40], mỡ bôi da, kem đánh răng[41.42] Kể từ đầu kỷ 20 bột titan đioxit trở thành vật liệu thương mại[13] Năm 1972, Fujishima Honda phát tượng quang xúc tác tách nước điện cực TiO2 tia cực tím (UV)[43,45] Kể từ đó, nỗ lực to lớn dành cho nghiên cứu vật liệu TiO2, dẫn đến nhiều ứng dụng hứa hẹn lĩnh vực khác quang điện từ quang xúc tác để chế tạo linh kiện quang linh kiện vi điện tử cảm biến[46,49] Các ứng dụng tạm chia thành "năng lượng" "môi trường" riêng biệt, nhiều ứng dụng số không phụ thuộc vào thuộc tính vật liệu TiO2 mà cịn theo biến đổi vật liệu TiO2 (ví dụ, với thuốc nhuộm vơ hữu cơ) tương tác vật liệu TiO2 với mơi trường Tính chất vật lý hóa học khám phá kích thước vật liệu trở nên nhỏ nhỏ hơn, xuống đến kích cỡ nano mét Ở nước ta có nguồn tài nguyên sa khoáng ven biển tương đối phong phú, trải dọc nhiều tỉnh từ Quảng Ninh đến Bình Thuận Một số mỏ khai thác chế biến thành tinh quặng rutil, ilmenhit, zircon, monazite chủ yếu dùng để xuất Các loại quặng nguyên liệu chủ yếu sản xuất TiCl4 (titan clorua), sử dụng làm tiền chất trình sản xuất titan đioxit sản phẩm có liên quan Vật liệu nano TiO2 nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu có gần 100 cơng trình vật liệu Nano TiO2 cơng bố ngồi nước, chủ yếu nghiên cứu Nano TiO2 loại vật liệu có nhiều ứng dụng, đặc biệt bảo vệ môi trường đảm bảo an ninh lượng Bởi TiO2 kích thước nano có khả làm môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác, khả chuyển đổi lượng mặt trời thành điện quy mô dân dụng 2 Vật liệu nano tinh thể TiO2 Việt Nam nên ưu tiên chế tạo nano TiO2 từ khống sản, hóa chất rẻ tiền phục vụ cho xử lý môi trường nước vùng lũ lụt, nhiễm dioxin, thuốc trừ sâu, thạch tín, phòng chống cúm gia cầm nghiên cứu tạo pin mặt trời cấu trúc nano Qua việc chế tạo đó, Việt Nam nhanh chóng có sản phẩm cao cấp phục vụ cho nhu cầu cấp bách nước xuất Các sản phẩm cụ thể đặt móng cho phát triển cách thiết thực công nghệ nano nước hội nhập với quốc tế lĩnh vực công nghệ mũi nhọn Trước thực tế chưa có nghiên cứu đề cập chi tiết đến việc xây dựng trình tổng vật liệu nano TiO2 với khối lượng sản phẩm bột lớn khảo sát động học trình phản ứng từ xây dựng mơ hình hệ thống thiết bị tổng hợp để tính tốn tìm thơng số cơng nghệ cho q trình tổng hợp Việt Nam Đề tài: “Nghiên cứu trình chế tạo nano tinh thể TiO2 nhiệt độ thấp” nhằm mục đích tiếp cận cơng nghệ chế tạo vật liệu nano tinh thể TiO2 đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật, môi trường xây dựng mơ hình, xác định thơng số cơng nghệ cho q trình tổng hợp Mục đích luận án: - Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nano tinh thể TiO2 nhiệt độ thấp Vật liệu nano tinh thể TiO2 tổng hợp phương pháp thủy phân pha Phương pháp đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật mơi trường - Nghiên cứu mơ hình tốn xây mơ hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp vật liệu tìm thơng số cơng nghệ thích hợp với thiết bị tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 quy mơ phịng thí nghiệm dạng mơ hình nhỏ (M1) quy mô vừa (M2) Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu trình tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 phương pháp thủy phân pha nhiệt độ thấp, nghiên cứu động học Vật liệu nano tinh thể TiO2 trình tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến q trình thơng qua mơ hình tốn mơ hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp vật liệu Ý nghĩa khoa học, thực tiễn đóng góp luận án: Nghiên cứu q trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 phương pháp thủy phân pha chế tạo vật liệu nano tinh thể TiO2 nhiệt độ thấp cho khối lượng sản phẩm lớn, công nghệ tiên tiến thân thiện với môi trường nghiên cứu Việt Nam Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn, mơ hình thống kê mơ tả trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 đưa thông số công nghệ phù hợp cho trình tổng hợp sở lý thuyết cho nghiên cứu khác trình, xây dựng hệ thống thiết bị tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 Khả ứng nghiên cứu vào thực tiễn lớn yếu tố cơng nghệ chất lượng sản phẩm bột nano tinh thể TiO2 hoàn tồn làm chủ Điểm luận án đề cập đến trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể TiO2 nhiệt thấp từ 2500C đến 4000C (quá trình chế tạo nano TiO2 nhiệt độ 3000C đến 8000C cho trình tổng hợp nhiệt độ thấp) cho kết khả quan mang ý nghĩa khoa học trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano TiO2 cho khối lượng sản phẩm lớn công nghệ thân thiện với môi trường Việt Nam Bố cục luận án: Luận án chia thành phần sau: - Phần mở đầu: giới thiệu sơ qua vật liệu nano TiO2 nêu lên tính cấp thiết đề tài điểm mà luận án đưa - Chương I: trình bầy phần tổng quan vật liệu nano TiO2, phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2 Nhấn mạnh phương pháp tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 cách thủy phân pha Nêu kết mà nhóm nghiên cứu khác nghiên cứu hướng nghiên cứu luận án việc sử dụng phương pháp để tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 4 Vật liệu nano tinh thể TiO2 - Chương II: Giới thiệu hệ thống thiết bị tổng hợp vật liệu quy mơ phịng thí nghiệm với hai hệ thống thiết bị kích thước khác nhau, trình bầy phương pháp nghiên cứu xác định cấu trúc vật liệu nano tinh thể TiO2 tổng hợp phương pháp thủy phân pha nhiệt độ thấp phương pháp phân tích đại X-ray, Micro Raman, SEM, TEM, Phân bố kích thước hạt Cở sở xây dựng mơ hình tốn mơ hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp xác định thơng số cơng nghệ cho q trình tổng hợp - Chương III: trình bầy kết sản phẩm bột nano tinh thể TiO2 hai hệ thống thiết bị thực nghiệm thiết lập nêu phần chương II sau q trình tổng hợp cấu trúc, kích thước vật liệu kiểm tra phương pháp phân tích đại Xây dựng hồn chỉnh mơ hình tốn sở bước đầu cho nghiên cứu tính tốn hệ số chuyển quy mơ với loại thiết bị tổng hợp dạng ống thơng số cơng nghệ thơng qua việc xây dựng hồn chỉnh mơ hình thống kê mơ tả q trình tổng hợp - Phần kết luận: trình bầy kết luận án làm đưa kiến nghị 5 Vật liệu nano tinh thể TiO2 Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1 Giới thiệu chung: Sự phát triển khoa học kĩ thuật với tiến không ngừng ngành khoa học công nghệ nano tác động mạnh tới phát triển mặt đời sống người, giảm kích thước vật liệu tới cỡ nanomet (từ tới 100nm) liên quan tới thay đổi tính chất chúng, nhà khoa học quan tâm Do ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực vi mạch điện tử, dụng cụ quang học,….các màng mỏng trở nên quan trọng Do vậy, ngành công nghệ màng mỏng phát triển mạnh mẽ cho ứng dụng đa dạng khác đời sống, để tạo màng mỏng có độ dày tính chất phù hợp với yêu cầu cho trước Ứng dụng Titan đioxit đưa vào nhiều lĩnh vực công nghệ tự làm sạch, công nghệ nhuộm màu, dùng làm màng mỏng điện môi, diệt khuẩn… đặc biệt TiO2 quan tâm lĩnh vực quang xúc tác xử lý môi trường Trong lĩnh vực nghiên cứu cho thấy TiO2 có hoạt tính cao tồn dạng bột, kích thước nano tinh thể dạng anatase Tuy nhiên khó khăn muốn thu hồi lại xúc tác sau phản ứng Để giải vấn đề có nhiều giải pháp đưa ra, có hai hướng coi khả thi cả: Thứ bọc TiO2 lên hạt từ, sau phản ứng xong hạt xúc tác thu hồi cách cho qua từ trường Phương pháp gặp khó khăn việc phân tách hạt cho khơng kết dính vào hạt từ phải khơng có tương tác làm giảm hoạt tính TiO2 Biện pháp thứ hai đưa ứng dụng rộng rãi màng mỏng TiO2 vật liệu đế khác Các kỹ thuật cố gắng tìm điều kiện để chế tạo màng nano tinh thể anatase TiO2 có độ bền, độ đồng đều, khả truyền quang tốt bề mặt riêng lớn nghĩa có hoạt tính xúc tác tốt Theo thuộc tính độc đáo vật liệu nano, chuyển động electron lỗ trống vật liệu nano bán dẫn chủ yếu phát qua hiệu ứng lượng tử tính chất liên quan đến vận chuyển phonons photon phần lớn bị ảnh ... tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu trình tổng hợp vật liệu nano tinh thể TiO2 phương pháp thủy phân pha nhiệt độ thấp, nghiên cứu động học Vật liệu nano tinh thể TiO2 trình tổng hợp... ứng nghiên cứu vào thực tiễn lớn yếu tố công nghệ chất lượng sản phẩm bột nano tinh thể TiO2 hồn tồn làm chủ Điểm luận án đề cập đến trình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể TiO2 nhiệt thấp. .. 2500C đến 4000C (quá trình chế tạo nano TiO2 nhiệt độ 3000C đến 8000C cho trình tổng hợp nhiệt độ thấp) cho kết khả quan mang ý nghĩa khoa học trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano TiO2 cho khối