Khảo sát khả năng chống thấm nước và tính quang phát quang của hat nano TiO2

Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2023 Trang 3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐ

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM NƯỚC VÀ TÍNH QUANG PHÁT QUANG CỦA HẠT NANO TiO2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

𝟐

SVTH: BÙI THANH HUY MSSV: 16130025

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2023

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM NƯỚC VÀ TÍNH QUANG PHÁT QUANG CỦA HẠT NANO 𝐓𝐢𝐎

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM NƯỚC VÀ TÍNH QUANG PHÁT QUANG CỦA HẠT NANO 𝐓𝐢𝐎𝟐

SVTH: BÙI THANH HUY MSSV: 16130025

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2023

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2022

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Ngô Hải Đăng

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường đại học Sư phạm kỹ Thuật TP HCM

Sinh viên thực hiện: Bùi Thanh Huy MSSV: 16130025

1 Tên đề tài: Khảo sát khả năng chống thấm nước và tính quang phát quang của hạt nano TiO2

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Chế tạo nano TiO2 rồi phủ lên vải cotton thử độ chống thấm nước

- Chế tạo nano TiO2 pha tạp các cation, và khảo sát hiện tượng phát hùynh quang

3 Các sản phẩm dự kiến: nano TiO2 dung dịch keo và dạng bột

4 Ngày giao đồ án: 25/10/2022

5 Ngày nộp đồ án: 03/03/2023

6 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

ii

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

2

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Ngô Hải Đăng

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Trường dại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM

Địa chỉ: Số 1 Võ Văn Ngân, Thành Phố Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Kiến nghị và câu hỏi:

Họ và tên Sinh viên: Bùi Thanh Huy MSSV: 16130025

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tên đề tài: Khảo sát khả năng chống thấm nước và tính quang phát quang của hạt nano TiO

iii

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

iv

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Bùi Thanh Huy MSSV: 16130025

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu

Tên đề tài: Khảo sát khả năng chống thấm nước và tính quang phát quang của hạt nano TiO2

Họ và tên Giáo viên phản biện:

Cơ quan công tác của GV phản biện:

Địa chỉ:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Kiến nghị và câu hỏi:

v

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

vi

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt nhiều tháng nghiên cứu và học tập, nhờ vào sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy cô Em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình

Em xin trân trọng cảm ơn thầy ThS Huỳnh Hoàng Trung đã tạo điều kiện, giúp

đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài

Em xin cảm ơn đến toàn thể cán bộ Phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM đã giúp đỡ về cơ sở vật chất để hoàn thành khóa luận này

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ cho em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp dù cố gắng nhưng em không tránh khỏi những sai sót Vì vậy, em kính mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy

cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên quan tâm

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, tháng 03 năm 2023

Sinh Viên

Bùi Thanh Huy

vii

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đi kèm với điều đó là sự bùng nổ của ngành khoa học, luôn đặt ra những yêu cầu cho lĩnh vực nghiên cứu về các giải pháp

về năng lượng, vật liệu và các thiết bị phục vụ cho đời sống tốt hơn Trong tình hình

đó, lĩnh vực nghiên cứu về công nghệ nano ra đời đáp ứng và giải quyết được phần nào những vấn đề trên Với sự phát triền ngày càng mạnh của ngành công nghệ nano tạo ra những ứng dụng hữu ích và ngày càng được quan tâm, thu hút được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu và nhiều quốc gia hiện nay Công nghệ nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: thông tin, sinh học, điện tử, chế tạo máy, nông sản, thực phẩm, vũ trũ và cả ngành dệt may Trong ngành dệt may, công nghệ nano được ứng dụng để xử lý xơ, sợi, vải tạo thêm một số chức năng cải tiến các thuộc tính bề mặt như: kháng khuẩn, chống bụi, bẩn, chống thấm nước, chống mùi hôi, chống tia UV Vải là một loại vật liệu mật thiết đối với con người, thân thiện với da, bền vững nguồn cũng phong phú và đáng tin cậy, vải được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau liên quan đến đời sống sức khỏe, thẩm mỹ và các ngành công nghiệp của con người Tuy nhiên, một số loại vải có tính ưu việt đối thì lại dễ bị ô nhiễm bởi một số chất gây ô nhiễm do nước và vết dầu rất khó để làm sạch làm hạn sử dụng và thời gian bảo quan bị kéo ngắn đi, hoặc một số loại vải cần tính không thấm nước để ứng dụng cao hơn

Trong khi việc xử lý, làm sạch giặt nhiều lần, vải bị hư hại dần tuổi thọ không kéo dài tốn chị phí, tiêu thụ rất nhiều lao động và tài nguyên Hơn nữa, việc xả nước thải

có chứa chất tẩy rửa hóa học cũng gây ra hậu quả ô nhiễm môi trường Ở một mức

độ nào đó, vải thông thường không thể đáp ứng nhu cầu cao hơn của xã hội hiện đại,

nó là cần thiết cho vải để cải thiện hiệu suất chống ố, chống thấm, dễ làm sạch Có hai các loại chất gây ô nhiễm phổ biến: vết bẩn do dầu và nước sinh ra vết ố TiO2 là vật liệu có thể giải quyết những nhược điểm đó, TiO2 được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu nhằm tối ưu nó đưa vào thực tiễn, Khóa luận khảo sát tính chống thấm nước của TiO2

Mặc khác, TiO2 nano là một tác nhân quan trọng trong quang xúc tác, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, quang phân nước thành nhiên liệu hydro Với đặc tính ổn định nhiệt cao, rất bền, không độc và có nhiều tính chất quang học nổi bật, TiO2 cấu trúc nano được xem là loại vật liệu nền mới đầy tiềm năng để pha tạp các ion khác nhau, khóa luận còn khảo sát thêm khả năng huỳnh quang của nano TiO2 khi pha tạp các cation (acceptor)

viii

Khóa luận có tên là : “Khảo sát khả năng chống thấm nước và tính quang phát quang của hạt nano 𝐓𝐢𝐎𝟐”

Mục tiêu của khóa luận bao gồm:

 Chế tạo nano TiO2 và nano TiO2 pha tạp các cation (acceptor) bằng phương pháp sol-gel, thử độ kỵ nước của nano TiO2 thuần trên vải

 Sử dụng các phương pháp phân tích như: Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD),phương pháp đo quang phổ huỳnh quang (PL), phương pháp đo phổ hấp thụ Uv-Vis để nghiên cứu cấu trúc, tính chất phát quang của vật liệu nano TiO2

Nội dung khóa luận bao gồm:

 Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano TiO2

 Chương 2: Phương pháp sol-gel tổng hợp vật liệu nano TiO2

 Chương 3: Các phương pháp phân tích

ix

MỤC LỤC

Nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp i

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ii

Nhận xét của giáo viên phản biện iv

Lời cảm ơn vi

Lời mở đầu vii

Mục lục ix

Danh sách chữ viết tắt xi

Danh sách các bảng biểu xii

Danh sách hình ảnh, biểu đồ xiii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU 𝐓𝐢𝐎𝟐 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Cấu trúc 𝐓𝐢𝐎𝟐 3

1.3 Ứng dụng của nano 𝐓𝐢𝐎𝟐 5

1.4 Sự mở rộng vùng cấm khi kích thước hạt nhỏ dần 5

1.5 Tính chất chống thấm nước 7

1.6 Hiện tượng quang phát quang 7

1.6.1 Tổng quát 7

1.6.2 Phát quang huỳnh quang 8

1.6.3 Cơ chế phát quang trong tinh thể 9

1.6.4 Tính quang phát quang khi pha tạp các cation (acceptor) 9

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO 𝐓𝐢𝐎𝟐 10

2.1 Giới thiệu 10

2.2 Các phản ứng quan trọng của phương pháp sol-gel 10

2.2.1 Phản ứng thủy phân 10

2.2.2 Phản ứng ngưng tụ 11

2.2.3 Các loại phát triển cấu trúc 11

2.3 Cơ chế thấm ướt của vật liệu 𝐓𝐢𝐎𝟐 phủ lên bề mặt vật liệu được tạo bằng phương pháp sol-gel 12

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU 13

3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 13

x

3.2 Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis 14

3.3 Phương pháp phổ quang phát quang (PL-Photoluminescence) 14

3.3.1 Giới thiệu 14

3.3.2 Nguyên lý phổ PL 14

Chương 4 THỰC NGHIỆM 15

4.1 Nội dung thực nghiệm 15

4.2 Dụng cụ 15

4.3 Hóa chất 15

4.4 Qui trình 16

4.4.1 Qui trình điều chế nano 𝐓𝐢𝐎𝟐 16

4.4.2 Qui trình điều chế 𝐓𝐢𝐎𝟐 pha tạp 17

Chương 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 18

5.1 Kết quả khi phun 𝐓𝐢𝐎𝟐 lên vải cotton trong điều kiện ánh sáng thường 18

5.2 Kết quả Uv-Vis 19

5.3 Kết quả XRD 20

5.4 Kết quả phổ quang phát quang 21

Chương 6 KẾT LUẬN 23

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

xi

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

1 Các chữ viết tắt

UV-Vis Ultra violet - Visible Phổ hấp thụ đo vùng tử

ngoại– vùng nhìn thấy

d Khoảng cách giữa 2 lớp nguyên tử kế tiếp

Ɵ Góc tới của chùm tia X so với lớp nguyên tử

xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số về cấu trúc tinh thể các dạng thù hình chính của 𝑇𝑖𝑂2 [1] 1

Bảng 4.1 Danh mục hóa chất 15

xiii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Titan đioxit ( 𝑇𝑖𝑂2) dạng bột 1

Hình 1.2 Cấu hình điện tử biễu diễn theo vân 2

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc vùng của Ti 𝑂2 2

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của 𝑇𝑖𝑂2: anatase, rutile, brookite [6][10] 3

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể dạng Rutile 4

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể pha Anatase 4

Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể pha Brookite 5

Hình 1.8 Sự tăng các mức năng lượng lượng tử hóa và sự mở rộng năng lượng vùng cấm của tinh thể nano so với vật liệu khối[5] 6

Hình 1.9 Sơ đồ dải năng lượng của QDs ZnO phụ thuộc vào kích thước hạt 6

Hình 1.10 Chấm lượng tử CdSe phát huỳnh quang dưới ánh sáng tử ngoại 7

Hình 1.11 Hiện tượng lân quang 8

Hình 1.12 Ion huỳnh quang A trong mạng của nó 8

Hình 1.13 Sơ đồ mô tả quá trình huỳnh quang 9

Hình 1.14 Các quá trình tái hợp bức xạ : Tái hợp vùng- vùng (e-h); Tái hợp exction; Tái hợp vùng – tạp chất(e-A, D-h); tái hợp cặp donor-acceptor [9][2] 9

Hình 1.15 Các quá trình hấp thụ quang của pha tạp acceptor 9

Hình 2.1 Quá trình thủy phân 10

Hình 2.2 Quá trình ngưng tụ 11

Hình 2.3 Cơ chế thấm ướt của vật liệu được phủ 𝑠𝑜𝑙 𝑇𝑖𝑂2 lên bề mặt 12

Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của nhiễu xạ tia X 13

Hình 3.2 Nguyên lí hoạt động của UV-Vis 14

Hình 4.1 Hệ thực nghiệm 15

Hình 5.1 So sánh vải được phủ 𝑇𝑖𝑂2 (a) và vải không được phủ 𝑇𝑖𝑂2 (b) sau khi được xịt nước 18

Hình 5.2 Tính ưa nước(a) và kỵ nước(b) của bề mặt vật liệu 18

Hình 5.3 Đồ thị uv-vis của các mẫu nano 𝑇𝑖𝑂2 19

Hình 5.4 XRD của 𝑇𝑖𝑂2 không pha tạp 20

Hình 5.5 Phổ quang phát quang (PL) được chuẩn hóa của các mẫu nano 𝑇𝑖𝑂2 21

Hình 5.6 Nguyên lý phát xạ của hạt 𝑇𝑖𝑂2 thuần và có pha tạp 22

Bảng 1.1 Thông số về cấu trúc tinh thể các dạng thù hình chính của 𝑇𝑖𝑂2 [1]

Hình 1.1 Titan đioxit (𝑇𝑖𝑂2) dạng bột

tử trong các nguyên tử Quá trình phân bố lại điện tử thỏa mãn điều kiện bảo toàn điện tích trong toàn hệ và có xu hướng sao cho các nguyên tử có lớp vỏ ngoài cùng lấp đầy điện tử Khi tạo thành tinh thể, mỗi nguyên tử titanium cho hai nguyên tử oxygen bốn điện tử trở thành cation Ti4+; mỗi nguyên tử oxygen nhận hai điện tử_ trở thành anion O2−.[8]

Hình 1.2 Cấu hình điện tử biễu diễn theo vân

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc vùng của Ti𝑂2Anion O2−khi đó có phân lớp 2p đầy sáu điện tử Trong tinh thể vùng 2p thành vùng đầy điện tử Cation Ti4+ không có điện tử nào ở phân lớp 4s nên khi tạo thành vùng 4s trong tinh thể, vùng này không chứa điện tử Khoảng cách giữa hai vùng 4s và 2p lớn hơn 3 eV [8]

3

1.2 Cấu trúc 𝐓𝐢𝐎𝟐

Oxit TiO2 là một loại vật liệu bán dẫn với độ rộng vùng cấm từ 3,2 eV-3,6eV Khi được chế tạo dưới kích thước nano cho thấy nhiều tính chất hóa, lý thú vị và đang rất được quan tâm trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như lĩnh vực quang xúc tác, trong nghiên cứu chế tạo sensor, các linh kiện điện sắc, các linh kiện tích trữ và chuyển hóa năng lượng, làm sạch môi trường, kháng khuẩn chống thấm…

Trong vật liệu TiO2, các nguyên tử oxi và titan được sắp xếp theo cấu trúc bát diện

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của 𝑇𝑖𝑂2: anatase, rutile, brookite [6][10]

Mỗi hình bát diện trên được coi như một ô cơ sở trong mạng tinh thể.Tùy theo ô mạng Bravais và vị trí tương đối giữa các hình bát diện, TiO2 sẽ có các dạng thù hình: brookite, anatase và rutile

4

Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có độ rộng vùng cấm 3,02eV Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn lại, khối lượng riêng khoảng 4,2g/cm3.Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiếp xúc

nhau ở các đỉnh

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể dạng Rutile

Anatase: là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha Anatase có độ rộng vùng cấm khoảng 3,23eV và khối lượng riêng 3,9g/cm3.Anatase cũng có kiểu mạng Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp cạnh với nhau

và trục y của tinh thể bị kéo dài

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể pha Anatase

Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể pha Brookite

Do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên không xét

Đặc tính quang xúc tác của TiO2 dựa trên việc chiếu sáng với năng lượng lớn tương đương với độ rộng vùng cấm của nó sinh ra các phân tử có tính oxy hóa cao trên bề mặt của chất bán dẫn TiO2 còn có tính chất siêu thấm ướt nên có thể chế làm ra các màng chống sướng bám.[14]

 Ứng dụng làm điện cực trong pin mặt trời quang điện hóa [15],[16]

1.4 Sự mở rộng vùng cấm khi kích thước hạt nhỏ dần

𝐄𝐠: năng lượng vùng cấm

D: đường kính của hạt

6

Khi các hạt nhỏ dần, các phân tử trong hạt ít dần đi, sự trùng lặp mức lượng tử dẫn đến hình thành các mức năng lượng con cũng ít dần, dẫn đến cái dải năng lượng rời rạc cách nhau, hiệu ứng giam cầm lượng tử xuất hiện,các electron cần năng lượng nhiều hơn để vượt qua các mức năng lượng đó dẫn đến độ rộng vùng cấm của hạt tăng lên [4]

Hình 1.8 Sự tăng các mức năng lượng lượng tử hóa và sự mở rộng năng lượng

vùng cấm của tinh thể nano so với vật liệu khối[5]

Hình 1.9 Sơ đồ dải năng lượng của QDs ZnO phụ thuộc vào kích thước hạt

Khi kích thước hạt giảm thì dải năng lượng của ZnO chuyển từ trạng thái liên tục sang rời rạc.[11]