Đồ án môn học i đề tài ứng dụng quang xúc tác của vật liệu tio2

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI   VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT   ĐỒ ÁN MÔN HỌC I  ĐỀ TÀI  ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TiO2  Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lương Hữu Bắc    Nhóm sinh viên thực hiện: Đặng Thị Thơm Đào Thị Trang 3. Nguyễn Văn Tâm  Phạm Quốc Việt  MSSV: 20196456  MSSV : 20196464  MSSV: 20196443  MSSV: 20196477 Hà Nội, năm 2021    MỤC LỤC  MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Khái niệm quang xúc tác Giới thiệu vật liệu quang xúc tác TiO Một số tính chất vật lí hóa học Đặc tính quang xúc tác TiO III Cơ chế hoạt động quang xúc tác IV Ứng dụng quang xúc tác TiO 2  Vật liệu tự làm   Xử lí ơ nhiễm nguồn nước  Xử lí nhiễm khơng khí 10 KẾT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 II   MỞ  ĐẦU  Trong vài thậ p k ỷ g ần đây, vớ i s ự phát triển nhanh chóng đất nướ c, nghành cơng nghiệ p, nông nghiệ p, làng nghề  ở  Việt Nam có tiến  bộ khơng ngừng cả về số  lượng chủng loại sản phẩm chất lượ ng ngày đượ c cải thiện Bên cạnh tác động tích cực sự phát triển mang lại phải k ể  đến tác động tiêu cực Một mặt tiêu cực loại chất thải nghành công nghiệ p thải ngày nhiều làm ảnh hưởng đến môi trườ ng s ống sức khoẻ của người dân Môi trườ ng sống người dân bị  đe dọa b ở i chất th ải cơng nghiệ p Chính v ậy, m ột v ấn đề  đặt cần tìm cơng nghệ hữu hiệu, có thể xử lý triệt để các chất nhiễm có mơi trườ ng Hiện th ế giớ i có nhiều phương pháp xử lý nhiễm phương pháp hấ p phụ, phương pháp sinh họ c, phương pháp oxi hóa - khử, phương pháp quang xúc tác Trong phương pháp trên, phương pháp quang xúc tác có nhiêu ưu điể m tr ội hiệu quả xử lý cao, khả năng chuyển đổi hoàn toàn hợ   p chất hữu độc hai thành hợ   p chất vơ độc hại đượ c quan tâm ứng d ụng r ộng rãi xử  lí mơi trườ ng Trong q trình nghiên cứu ứng d ụng phương pháp quang xúc tác xử  lí nhiễm mơi trườ ng, TiO2 với vai trị mộ t chất xúc tác quang hóa tiêu biểu đượ c nhiều quốc gia phát triển TiO2 có giá thành r ẻ, an tồn với mơi trườ ng, khơng  bị hao hụt trình sử d ụng Vì nay, vật liệu TiO2 đang đượ c nghiên cứu sử d ụng nhiều, lĩnh vực xử lí mơi trng nướ c khí vớ i vai trị xúc tác phản ứng quang hóa Khơng chỉ d ừng lại ở  vai trị xúc tác, TiO2 cịn có nhiều ứng d ụng quan tr ọng lĩnh vực vật liệu, điện tử, lượ ng, mỹ phẩm, y học…  Cụ th ể TiO2 có tính chất gì? Những ứng d ụng ưu việt thế nào? Để  tr ả l ờ i câu hỏi này, chúng em tìm hiểu v ề  đề  tài “Tìm hiểu ứng d ụng quang xúc tác vớ i vật liệu TiO2”.    I Khái niệm quang xúc tác Chất xúc tác chất có tác d ụng làm giảm lượ ng hoạt hóa phản ứng hố học khơng bị mất sau phản ứng Nếu q trình xúc tác đượ c kích thích ánh sáng đượ c gọi quang xúc tác Chất có tính kích hoạt phản ứng hố học đượ c chiếu sáng gọi chất quang xúc tác Nhiều hợ   p chất bán d ẫn TiO2, ZnO, CdS, … có tính quang xúc tác, vật liệu nano TiO2 là vật liệu quang xúc tác tiêu biểu Ví d ụ: Phản ứng oxy hóa hợ   p chất hữu dướ i tác d ụng cúa ánh sáng thông qua TiO2 Hình Cơ chế quang xúc tác   II Giới thiệu vật liệu quang xúc tác TiO 2  Một số tính chất vật lí hóa học   TiO2 là vật liệu bán dẫn loại n có vùng cấm rộng (3.0 - 3,2 eV)   TiO2 tồn dạng bột, thường có màu trắng dạng điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ phịng, áp suất khí quyển).    Khối lượ ng phân tử là 79,87 g/mol, tr ọng lượ ng riêng từ 4,13 –  4,25 g/cm3, nóng chảy ở  nhiệt độ cao 1780˚C, khơng tan nước axit axit sunfuric clohydric… cả khi đun nóng.  Tinh thể TiO2 có ba d ạng thù hình anatase, rutile brookite Vì brookite khơng bền nên tự nhiên d ạng tinh thể anatas rutile thườ ng phổ biến hơn, đượ c s ử d ụng hầu h ết ứng d ụng titan oxit Cả  hai chất  bán d ẫn có vùng cấm r ộng, có cấu trúc kiểu bát diện bao gồm nguyên tử  titan ở  chính vớ i sáu nguyên tử oxy xung quanh  Hình 2. Hình ảnh d ạng thù hình c TiO2 lần lượ t t ừ  trái sang Anatase Rutile  Nguồn: Internet Đặc tính quang xúc tác TiO 2  TiO2 chỉ thể hiện khả năng xúc tác quang kích thướ c hạt dướ i 100nm.  Khi chiếu sáng TiO 2  trở thành chất oxy hóa khử mạnh Điều tạo cho vật liệu nhiều ứng d ụng phong phú, đa dạng quý giá  Nano TiO2 có thể phân hủy được chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen số virut, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao   Dưới tác dụng ánh sáng , TiO2 kỵ nước hay nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo Khả ứng dụng để tạo bề mặt từ tẩy rửa mà khơng cần hóa chất tác động học    Nano TiO2 kháng khuẩn chế phân huỷ, tác động vào vi sinh vật phân huỷ m ột hợ   p ch ất h ữu Vì vậy, tránh đượ c tượng “nhờ n thuốc” công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen vi sinh vật gây bệnh Bản thân TiO2  không độc hại tái sử dụng nhiều lần tính chất chất xúc tác Các sản phẩm phân hủy chất sạch, an toàn với mơi trường    Những đặc tính tạo cho nano TiO2 những lợ i thế vượ t tr ội về hiệu quả kinh tế  k ỹ thuật việc làm mơi trường nướ c khơng khí khỏi tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô sinh học III Cơ chế hoạt động quang xúc tác Do cấu trúc điện tử đặc trưng vùng hoá trị (VB) vùng dẫn (CB), chất bán dẫn TiO2 có thể hoạt động chất xúc tác cho q trình oxy hố khử ánh sáng hình thành gốc tự OH * vấn đề mấu chốt  phản ứng quang xúc tác TiO2 TiO2 có cấu trúc anatase có độ rộng vùng cấm 3,2eV Do tác dụng  photon có lượng từ 3,2eV trở lên xảy trình phản ứng sau:  TiO2 + hv → e-CB + h+VB  Khi xuất lỗ trống mang điện tích dương (h+VB) mơi trường nước, xảy phản ứng tạo gốc OH* h+VB + H 2O → OH* + H +  Mặt khác, xuất electron vùng dẫn (e-CB) có mặt O2 trong mơi trường nước xảy phản ứng tạo gốc OH * theo trình sau: e-CB + O2 → O2 –   2O2 - + 2H 2O → H 2O2 + 2HO- + O2   H 2O2 + e-CB → OH* + HO-     Hình 3. Hình ảnh: Cơ chế quang xúc tác TiO2   Nguồn: Internet   IV Ứng dụng quang xúc tác  TiO2  Vật liệu tự làm   Vật liệu TiO2 được sử dụng sản xuất vật liệu tự làm sơn, gạch men, kính tự làm sạch…Sơn tự làm hay gọi sơn quang xúc tác Về chất chúng tạo từ hạt TiO2 có kích thước nano phân tán huyền phù nhũ tương với dung môi nước   Tương tự, TiO2 c ó thể phối trộn vào lớp men phủ bề mặt gạch men tráng phủ thành lớp mỏng bề mặt gạch men, kính,…   Hiện nay, trong số phịng vơ trùng, phòng mổ bệnh viện  trên giới sử dụng vật liệu có TiO 2 và đèn chiếu tia tử ngoại để diệt vi khuẩn, vi rút, hạn chế việc lây nhiễm bệnh tật đồng thời giảm đáng kể lượng thuốc sát trùng chất tẩy rửa độc hạ i  Ngồi cửa kính với lớp TiO2 siêu mỏng, dày cỡ micro, cho phép ánh sáng thường qua lại hấp thụ tia tử ngoại để kích thích phản ứng quang hóa phân hủy hạt bụi nhỏ, vết dầu mỡ phương tiện giao thông thải Các vết bẩn dễ dàng bị loại bỏ nhờ nước mưa, nước rơi   mặt kính tạo hiệu ứng thấm nước   Nước trải bề mặt thay thành giọt, theo chất bẩn xuống  Hình 4. Hình ảnh: Tịa chung cư NewYork có cửa kính phủ TiO2   Nguồn: theculturetrip.com   Hình 5. Hình ảnh bụi bẩ n vết nước bám kính thơng thường sau mưa     Hình a) trình quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ ; b) q trình quang hóa ưa nước giúp nước dàn đều cuốn bụi bẩn   Nguồn: Internet   Xử lí nhiễm nguồn nướ c  Nước ngày bị  ô nhiễm bở i nhiều tác nhân nướ c thải công nghiệ p từ  nhà máy d ệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm, … chấ t màu, thuốc nhuộm hoạt tính, ion kim lo ại nặng, chất hữu cơ, từ hóa chất bảo vệ thực vật ngành nông nghiệp thuốc tr ừ sâu, thuốc diệt cỏ… Hầu hết chúng chất r ất khó phân hủy theo thờ i gian không gian, ảnh hưở ng tr ực tiếp đến sức khỏe ngườ i sinh vật sống khác  Người ta nghiên cứu phương pháp quang xúc tác để  xử lí nướ c bị ơ nhiễm Các gốc tự do OH*, O2*-, đóng vai trị quan trọng chế  phân huỷ hợ   p chất hữu Trong gốc tự do OH* tác nhân oxi hố r ất mạnh, khơng chọn lọc có khả năng oxi hố nhanh chóng hầ u hết chất hữu cho sản phẩm phân hủy cuối CO2 và H2O Ưu điểm: Có thể xử lí nhiều chất độc hại nướ c lúc  Nhược điểm:   Khi tr ộn nano TiO2  vào nướ c thành dung d ịch tr ắng đục, ánh sáng từ  đèn cực tím khơng thể xuyên qua d ẫn đến chỉ có nano TiO2 trên bề m ặt phát huy tác d ụng, làm giảm hiệu Khi sử d ụng TiO2 để xử lý mơi trường nước, q trình oxi hóa thườ ng tạo huyền  phù dung d ịch nướ c nên khó tách loại khỏi mơi trường nướ c sau xử lý  Hình 7. N ướ c thải t ừ một công ty nhuộm xả ra môi trườ ng   Nguồn: Internet Xử  lí nhiễm khơng khí  Ngày nay, vớ i sự phát triển mạnh mẽ và thiếu kiểm sốt về mặt xử lý chất thải nhiễm nhiều ngành kinh tế đã tạo sự ô nhiễm môi trườ ng nghiêm tr ọng Nhiều ngành công nghiệp thải vào môi trườ ng chất độc hại huỷ hoại môi sinh, gây bệnh hiểm nghèo cho ngườ i Một giải pháp có thể h ạn chế  đượ c v ấn đề này ứng d ụng công nghệ nano để chế tạo vật liệu nano TiO2 vớ i hiệu ứng quang xúc tác để xử lý ô nhiễm môi trườ ng  Nano TiO2 vớ i hoạt tính quang xúc tác nên gần đượ c t ậ p trung nghiên cứu giải pháp có triển vọng để xử lý chất thải độc hại phân tán môi trường Đặc biệt diệt vi khuẩn, nấm mốc phòng bệnh, nhà ở , 10   khử  mùi văn phịng, phân hủ y khí NOx, SOx, VOCs, mơi trườ ng khơng khí để tạo khí khơng độc hại CO2, H2O  Hình 8. Hình ảnh q trình x ử  lí khơng khí nhiễ m vớ i hiệu ứ ng quang xúc tác nano TiO2   Nguồn: Internet   Trên thế giới, người ta sả n xuất nhiều máy lọc khơng khí có sử d ụng nano TiO2  Hình 9. Hình ảnh sơ đồ hoạt động hệ thố ng xử  lý khí quang xúc tác  Nguồn:Internet   11    Hình 10. Hình ảnh máy lọc khơng khí tơ có s ử  d ụng bộ lọc xúc tác TiO2   Nguồn: Internet Tách H2 từ nước  Tìm m ột loại lượ ng m ớ i thay thế  lượ ng hóa th ạch là một nhiệm vụ s ống c nhân loại Hydro đượ c hi vọng l à một lượ ng tiềm nhiều năm tớ i B ằng phương pháp quang điện h óa phân r ã  nướ c c ó  thể nhận đượ c hydro từ nước, lượ ng mặt tr ời  và chất xúc tác quang  Hình 11. Hình ảnh: Quá trình t ạo H 2 bằ ng phản ứ ng quang xúc tác    Nguồn: Internet 12   Quá tr ình hoạt động sau:  + Khi đượ c chiếu nhân tố ánh sáng thích hợ  p điện cực anod xảy quá  tr ình:   + 2hv → 2 −  + 2ℎ+   + Các lỗ tr ống quang sinh di chuyển đến bề mặt tiế p xúc anod và  chất điện ly, điện tử quang sinh di chuyển về điện cực catod + Tại điện cực anod:    2ℎ+  → 2+      + Các ion H+ di chuyển về Catod và bị khử bở i điện tử: 2+  2 − →    Hiện việc sản xuất thương mại hydro quá tr ình quang điện hóa có hiệu suất thấ p nguyên nhân: sự tái hợ   p lỗ tr ống và điện tử, quá tr ình xảy vùng UV, phản ứng tái hợ   p H2 và O2 Nếu giái đượ c khó khăn thì năng lượ ng hydro là triển vọng k ỷ  nguyên lượ ng  Hình 12. Hình ảnh số mẫu ô tô sử dụng pin nhiên liệu hydro: a) Xe bus Mercedes Benz (2005), b) Xe Honda FCX (2006), c: Xe Toyota FCV (2015), d: Xe Huyndai Tuson  Internet   13  Nguồn:    Những ưu điểm hạn chế của nano TiO2 vai trò làm chất xúc tác quang cho ứng d ụng xử lý mơi trườ ng, TiO2 có ưu điểm sau: - TiO2 khống hóa hồn tồn chất hữu độc hại thành chất vô không độ c hại CO2, H2O muối - Sử d ụng ở  điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thườ ng, khơng sinh chất độc hại Cách sử d ụng đa dạng, thích hợ   p cả nơi có nồng độ  chất nhiễm cao nguồn thải, nơi có nồng độ ơ nhiễm thấp khơng khí mơi trườ ng xung quanh nhà - Nguồn nguyên liệu d ồi dào, giá thành r ẻ, ch ế ph ẩm phong phú Tuy nhiên, có d ải cấm r ộng nên TiO2 gần chỉ hấ p thụ bức xạ trong vùng tử ngoại Đây hạn chế lớn khơng q 5% lượ ng xạ mặt tr ời  chiếu xuống bề mặt trái đất thuộc vùng tử ngoại Các cặp điện tử - lỗ tr ống sinh TiO2 đượ c chiếu sáng có khuynh hướ ng d ễ tái hợ  p tr ở  lại, d ẫn đến hiệu suất lượ ng tử thấ p Mặt khác, sự khơng có mặt lỗ xố p TiO2 cho phép sự chiếu sáng lên hạt đồng đều, song điều lại làm cho khả năng thu hút chất nhiễm TiO2 kém  Ngồi ra, sự hoạt động mạnh quang xúc tác TiO2 d ẫn tớ i sự phá hủy vật liệu chúng tiế p xúc vớ i TiO2 Mong muốn tạo đượ c chất xúc tác vừa hoạt động vùng ánh sáng khả kiến, vừa có khả năng hấ p phụ cao, đồng thờ i không phá hủy vật liệu khác trở  thành xu thế mớ i Vì vậy, ngày vật liệu xúc tác quang sở  nano TiO2 hầu hết dùng dướ i d ạng pha tạ p 14   KẾT LUẬN Đồ án cho thấy nhìn tổng quát về vật liệu nano TiO2, hiểu biết và những ứng d ụng thực tế của nano TiO2 Hiệu ứng quang xúc tác vật liệu nano TiO2  đượ c coi là  sở   khoa học đầy triển vọng cho giải phá p k ỹ thu ật x ử l ý ơ nhiễm Trong l ĩ nh vực cơng nghệ nano thật khó để tìm thấy vật liệu có nhiều ứng d ụng q giá, chí khơng thể thay thế như nano TiO2 Việc ứng d ụng nano TiO2  vào thực tế  gặ p nhiều khó  khăn đó  là  lượ ng v ùng c ấm r ộng, việc thu hồi l ại sau sử d ụng việc cặp điện t ử - lỗ  tr ống sinh TiO2 đượ c chiếu sáng có khuynh hướ ng d ễ tái hợ   p tr ở  lại, d ẫn đến hiệu suất lượ ng t ử thấ p C ác giải pháp đã  đưa biến tính TiO2 v ớ i m ột nguyên tố kim loại (Fe, Cr, Ni, Ag, ) và phi kim (N, S, C, ) có thể l àm giảm lượ ng v ùng cấm từ  đó mở   r ộng v ùng quang xúc tác sang vùng ánh s khả ki ến Việc thu hồi TiO2 ta có thể bọc lớ   p TiO2 bên ngồi nhân là một chất từ tính, phân tán hạt TiO2 nước dướ i d ạng huyền phù, bề mặt tiế p xúc lớ n mà ta d ễ  d àng thu hồi lại từ trườ ng  Những ứng d ụng từ ý tưởng đượ c ứng d ụng vào sống đượ c tiế p tục nghiên cứu để  đưa vào th ực tiễn, có những ý tưởng đã làm đượ c và nh ững ý tưở ng chưa thể thực Tuy nhiên là những ý tưở ng r ất khả thi và nếu thành cơng nó sẽ hứa hn mang lại r ất nhiều lợ i ích cho sống 15   TÀI LIỆU THAM KHẢO   Nguyễn Thị Huệ, (2010), “ Nghiên cứu xử lí nhiễm khơng khí vật liệu sơn  Nano TiO2 /Apatite, TiO2 /Al2O3 TiO2 /bông thạch anh” Báo cáo tổng kết đề tài   chương trình khoa học trọng điểm cấp nhà nước Mã số: KC.08.26/06-10 Tr ần Thị Đức, (2003), “ Nghiên cứ u chế  t ạo loại màng xúc tác quang TiO2 để    xử  lý chất độc hại không khí nước” Báo cáo tổng k ết đề tài cấ p Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam  Nguyễn Xuân Văn, (2011),  Nghiên cứ u chế  t ạo màng mỏng TiO2 nhằ m cho mục tiêu ứ ng d ụng quang xúc tác , Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Lê Thị Mai Hoa, (2016), “ Nghiên cứ u t ổ ng hợp đặc trưng vậ t liệu mớ i, cấ u trúc  Nano ứ ng d ụng quang xúc tác phân h ủ y thuố c nhuộm” Luận án Tiến sỹ Hóa học Mã số: 62.44.01.19  Nguyễn Thị Mai Hương (2018), “ Nghiên cứ u chế  t ạo, tính chấ t xúc tác quang ưu nướ c màng t ổ hợ  p TiO2 /SiO2 và TiO2 /PEG phương pháp SOL-GEL” Luận án tiến sĩ Vật lý Mã số: 44 01 04 Phạm Minh Tứ, (2019), “ Nghiên cứ u t ổn   g h ợp, đặc trưng đánh giá hoạ t tính quang xúc tác hệ vật liệu t ổ hợp sở  nano TiO2 / (CNT, ZnO, SiO2)” Luận án tiến sĩ Hóa họ c Mã số: 9.44.01.19 16