Nghiên cứu chế tạo sol gel chứa các hạt nano tio2 và ứng dụng phủ màng trên gốm sứ ceramic

Đồ Án Tốt Nghiệp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu chế tạo Sol-Gel chứa hạt nano TiO2 ứng dụng phủ màng gốm sứ Ceramic Sinh Viên Thực Hiện : Nguyễn Hùng Mạnh Lớp : QTTB-K50 Giáo viên Hướng Dẫn : PGS.TS.Phạm Thu Nga TS.Nguyễn Văn Xá Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Văn Xá Thầy người trực tiếp hướng dẫn em làm hoàn thành đồ án tốt nghiệp Thầy bên cạnh hướng dẫn cho em để trình nghiên cứu làm đồ án em thuận lợi nhanh chóng Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Phạm Thu Nga, nghiên cứu viên cao cấp viện vật liệu, viện khoa học công nghệ Việt Nam, người truyền đạt cho em kiến thúc quý báu tận tình dẫn em cơng tác nghiên cứu khoa học để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Ths.Cao Xn Thắng, Ths.Vũ Đức Chính người ln ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập nghiên cứu trung tâm sắc ký, trường Đại học Bách khoa Hà Nội viện công nghệ vật liệu, viện khoa học cơng nghệ việt nam Cảm ơn gia đình bạn bè ủng hộ động viên em thời gian làm tốt nghiệp để em sớm hoàn thành đồ án ngày hôm Hà Nội, Tháng Năm 2010 Sinh Viên Nguyễn Hùng Mạnh Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I-TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 VÀ ỨNG DỤNG 1.1 ĐIOXIT TITAN (TiO2) [6,8] 1.2 VẬT LIỆU NANO ĐIOXIT TITAN (TiO2) 13 1.3 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MÀNG PHỦ TiO2 19 1.3.1 Vật liệu tự làm .19 1.3.2 Xử lý nước bị ô nhiễm 20 1.3.3 Xử lý khơng khí nhiễm .21 1.3.4 Diệt vi khuẩn, virus, nấm 21 1.3.5 Tiêu diệt tế bào ung thư 22 1.3.6 Ứng dụng tính chất siêu thấm ướt .22 CHƯƠNG II-CHẾ TẠO SOL CHỨA CÁC HẠT NANO TiO2 VÀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ TẠO MÀNG 2.1.CHẾ TẠO SOL CHỨA CÁC HẠT NANO TiO2 BẰNG ALKOXYDE TITAN [1,11,12] 24 2.1.1 Lý thuyết chung 24 2.1.2 Dùng alkoxyde titan 25 2.1.2.1.Cơ chế phản ứng .25 2.1.2.2.Quy trình tạo sol dùng để phủ màng sử dụng alkoxyde titan .27 2.2.THIẾT BỊ NHÚNG PHỦ [11,12] 28 2.2.1.Lý thuyết kỹ thuật nhúng phủ ( Dip-coating ) 28 Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp 2.2.2.Thiết bị 29 2.2 THIẾT BỊ PHUN PHỦ [11,12] 31 2.2.1 Lý thuyết kỹ thuật phun phủ ( Spray ) 31 2.2.2.Thiết bị 32 CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1.SEM : KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT .33 3.2 AFM : KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ 34 3.2.1 Nguyên lý AFM: 34 3.2.2.Các chế độ ghi ảnh .35 3.2.2.1 Chế độ tiếp xúc (chế độ tĩnh) 36 3.2.2.2 Chế độ không tiếp xúc (chế độ động) 36 3.2.2.3 Tapping mode 36 3.2.3 Phân tích phổ AFM .36 3.2.4 Ưu điểm, nhược điểm ứng dụng AFM .37 3.2.4.1.Ưu điểm AFM 37 3.2.4.2 Nhược điểm AFM 37 3.2.4.3 Ứng dụng AFM .37 3.3 XRD : NHIỄU XẠ TIA X 37 3.3.1.Phương trình Bragg 38 3.3.2.Ảnh hưởng kích thước hạt nano tinh thể lên độ rộng vạch nhiễu xạ tia X 40 3.3.3 Xác định kích thước hạt 41 3.4.PHỔ TÁN XẠ MICRO-RAMAN 44 CHƯƠNG IV-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Kết chế tạo sol-gel 46 4.2 Kết tạo màng phủ gốm sứ Ceramic 47 Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp 4.4 Kết phân tích phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM): 51 4.5 Kết phân tích phổ tán xạ Micro-Raman: 53 4.6 Kết phân tích AFM (Kính hiển vi lực nguyên tử) 54 4.7 Kết tính kỵ nước ưa nước màng TiO2 .55 4.8 Kết độ bám dính màng TiO2 56 4.9 Kết tính chất quang xúc tác 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 PHỤ LỤC 62 Hóa chất sử dụng .62 Thiết bị sử dụng 62 Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp MỞ ĐẦU Sự tìm kiếm phát triển vật liệu vấn đề quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu sống Trong thời đại, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu chế tạo vật liệu có tính chất cơ, lý, hóa mong muốn Đặc biệt nhà khoa học sâu nghiên cứu vật liệu tồn kích thước giới hạn khác Những vật liệu có kích thước cỡ micro mét nano mét ngày quan tâm nghiên cứu Với phép đo độ xác cao, nhà khoa học phát vật liệu gốc kích thước chúng thu nhỏ đến giới hạn tính chất chúng thay đổi so với tính chất vật liệu khối [5] Những tính chất mới, hiệu ứng phát làm phát triển thêm khả sử dụng vật liệu Đặc biệt màng mỏng TiO có kích thước bề dày nano mét nhiều nhà khoa học nước quan tâm nhằm tối ưu hóa vật liệu nghiên cứu phát triển ứng dụng Màng mỏng TiO2 kích thước hạt đạt cỡ vài chục nano mét tồn dạng đơn pha anatase chất bán dẫn có tính oxi hóa khử mạnh, vật liệu quang xúc tác làm mơi trường, có tác dụng diệt khuẩn, khử mùi, làm lớp sơn phủ chống mốc, chống bụi, chống bẩn, chống sương kính, làm thiết bị nhạy khí để chế tạo sensor [5] Do đó, việc nghiên cứu khống chế quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu TiO2 pha anatase dạng màng mỏng chế tạo kỹ thuật sol-gel kết hợp quay spin, nhúng kéo [14], phương pháp bốc bay chùm tia laser hay phún xạ chân khơng nhiều phịng thí nghiệm quan tâm Theo công bố tác giả W.F.Zhang cộng nghiên cứu phổ tán xạ Raman hạt nano tinh thể TiO2 chế tạo kỹ thuật hóa thủy phân pha anatase hình thành q trình chế tạo nhiệt độ ủ khơng vượt Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp 6900C Với nhiệt độ ủ lớn 6900C pha TiO2 rutile dần chiếm ưu [13] Sự quan tâm nhà nghiên cứu tăng sau công bố Matsumoto cộng quan sát thấy pha sắt từ TiO có pha tạp Coban (Co) nhiệt độ phòng (400K) [16] Kết mở hướng nghiên cứu thu hút quan tâm nhiều phịng thí nghiệm [10] Nó cho thấy TiO2 anatase pha Co hồn tồn hy vọng chất bán dẫn sắt từ lý tưởng cho cơng nghệ Spin từ Do q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa phát triển kèm với vấn đề nhiễm mơi trường, nhiều loại khí độc xuất ảnh hưởng đến sức khỏe người Vì vậy, TiO2 dạng màng mỏng cịn chế tạo thành sensor nhạy khí nhằm phát khí độc Đây điều vơ quý báu màng mỏng nano TiO2 Ngoài màng mỏng TiO2 cịn số loại màng mỏng oxide có tính chất quang, điện tính chất bề mặt quý Chính điều khiến cho ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Đồ án tốt nghiệp em đươc thực theo hướng chinh : Tạo sol chứa hạt tinh thể nano TiO2 anatase alkoxyde titan Ứng dụng phủ màng gốm sứ Ceramic cách - Dùng phương pháp nhúng phủ (Dip-coating) - Dùng phương pháp phun phủ (Spray) Mục đích em hướng tới đồ án tốt nghiệp :  Hoàn thiện kết nghiên cứu chế tạo màng nano TiO theo hướng công nghệ đơn giản, vật liệu rẻ tiền  Đưa vào ứng dụng thực tiễn sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp Bởi nước ta có nguồn nguyên liệu Titan dồi dọc bờ biển miền trung giúp chủ động nguồn nguyên liệu từ tiến tới sản xuất vật liệu nano TiO2 phục vụ nhu cầu nước xuất Đồ án tốt nghiệp em thực hồn thành phịng 120, 121, 313A viện vật liệu, viện khoa học công nghệ Việt Nam trung tâm sắc ký, trường đại học bách khoa Hà Nội Các phép đo : Nhiễu xạ tia X, SEM, AFM, Raman tiến hành viện khoa học công nghệ việt Nam với việc sử dụng loại máy móc đại tiên tiến Nội dung đồ án bao gồm phần sau : - Mở đầu - Chương I : Tổng quan lý thuyết vật liệu nano TiO2 ứng dụng - Chương II : Chế tạo sol-gel chứa hạt tinh thể nano TiO2 loại thiết bị tạo màng - Chương III : Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Chương IV : Kết nghiên cứu - Kết luận - Tài liệu tham khảo - Phụ lục Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 VÀ ỨNG DỤNG 1.1 ĐIOXIT TITAN (TiO2) [6,8] Titan kim loại màu trắng phân bố rộng rãi tự nhiên dạng quặng Nó nguyên tố đứng thứ số lượng nguyên tố tạo nên lớp vỏ trái đất (khoảng 0,63% ) Titan (Ti) kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm IV chu kỳ IV bảng hệ thống tuần hồn Mendeleep, có ngun tử khối 47,88 có bán kính ngun tử 1,45A0, cấu hình electron [Ar]3d24s2 Titan kim loại nhẹ, cứng, bề mặt bóng láng, chống ăn mịn tốt, chống ăn mịn với dung dịch axit, khí clo dung dịch muối thông thường kim loại tạo lớp oxit bảo vệ bền phía ngồi bề mặt mơi truờng khơng khí Ở trạng thái tinh khiết titan kéo sợi dễ dàng (nhất mơi trường khơng có oxy), dễ gia cơng Nhiệt độ nóng chảy titan tương đối cao nên dùng làm kim loại chịu nhiệt Titan cứng thép nhẹ 40% nặng nhơm cứng gấp đơi Titan kim loại đốt 610oC cao khơng khí tạo thành titan dioxit TiO2 Titan dioxit hợp chất quan trọng titan (khoảng 95% lượng titan sử dụng dạng TiO2), ứng dụng rộng rãi ngành kĩ thuật công nghiệp sơn, giấy, xúc tác… Titan dioxide (TiO2) kết tinh ba dạng thù hình khác anatase, rutile brookit Hai dạng thù hình thường gặp thường Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 Đồ Án Tốt Nghiệp sử dụng anatase rutile Dạng brookit gặp tự nhiên khơng có giá trị thương mại Trong q trình tạo TiO2 từ thủy phân dung dịch sunfat titan, thường tạo TiO2 có cấu trúc tinh thể anatase, trình tạo mầm đặc biệt tạo TiO2 cấu trúc tinh thể rutile Rutile dạng cấu trúc tinh thể bền vững TiO2 Khi chế tạo nhiệt độ cao > 650 oC, ta nhận pha rutile, chế tạo TiO nhiệt độ thấp < 600oC, ta dễ dàng nhận pha tinh thể anatase Do vậy, muốn chế tạo TiO pha anatase, pha tinh thể có hoạt tính xác tác cao, ta cần cơng nghệ chế tạo tiến hành nhiệt độ thấp (< 650oC) Hình 1.1 trình bầy cấu trúc tinh thể TiO2 ba dạng tinh thể khác Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể anatase, rutile brookit Cấu trúc dạng tinh thể anatase rutile thuộc hệ tinh thể tetragonal Cả hai dạng tinh thể tạo nên từ đa diện phối trí TiO cấu trúc theo kiểu bát diện, nguyên tử Titan nằm tâm khối tám mặt bao quanh sáu nguyên tử Oxi (hình 1.1), đa diện phối trí xếp khác không gian Trong anatase, khối tám mặt có bốn cạnh chung cịn rutile có hai cạnh chung nghĩa mạng anatase cấu tạo từ bốn phân tử TiO2 rutile cấu tạo từ hai phân tử TiO2 Trong tinh thể Anatase, đa diện phối trí tám mặt bị biến dạng mạnh Nguyễn Hùng Mạnh QTTB-K50 10