Ứng dụng nano trong xúc tác

CHƢƠNG II: XÚC TÁC NANO II.1 Giới thiệu về xúc tác nano Chất xúc tác là những hạt nano được tạo thành từ những cụm nguyên tử, thường là các kim loại, với kích thước khác nhau từ 1-20nm. Các nghiên cứu khoa học bề mặt hiện đại chỉ ra rằng trong suốt quá trình hấp phụ hóa học và phản ứng xúc tác những hạt này được tái cấu trúc và phân tử bị hấp phụ đều có hoạt động bề mặt cao. Sự tái cấu trúc các chất hập phụ làm dễ dàng cho việc bẻ gãy các liên kết hóa học và tái sắp xếp các chất bị hấp phụ thành đám nguyên tử có cấu hình nhiệt động học bền vững nhất. Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp phụ hóa học được bù đắp cho năng lượng mất đi bởi quá trình làm yếu các liên kết kim loại khi tái cấu trúc các hạt. Khi các nguyên tử trong hạt nano có độ liên kết càng yếu thì sự tái cấu trúc chúng xảy ra càng dễ dàng. II.2 Ứng dụng công nghệ nano trong xúc tác Xúc tác có tầm quan trọng sống còn trong xã hội chúng ta và tạo nên nền tảng của cuộc sống từ các quá trình sinh học để sản xuất quy mô lớn hóa chất với số lượng lớn. Sự dồi dào và rẻ tiền của các hóa chất dựa trên quá trình xúc tác công nghiệp. Các công nghệ khác cũng phụ thuộc vào xúc tác, bao gồm cả sản xuất dược phẩm, các biện pháp bảo vệ môi trường, sản xuất và phân phối, duy trì bền vững năng lượng. Nhiều tiến bộ kỹ thuật yêu cầu thực hiện tìm các năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch của các hãng vận tải là một phương án khả thi về mặt kinh tế (như ánh sáng mặt trời và hydro) dựa trên việc tối ưu hóa quá trình xúc tác. Ví dụ, đối với nước được tách ra thành hydro và oxy dưới ánh sáng mặt trời để nuôi một tế bào nhiên liệu, các nhà nghiên cứu cần phải cải thiện hoạt tính của các chất xúc tác, cho ví dụ TiO 2 . Nói một cách đơn giản, chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không bị tiêu thụ hoặc bị thay đổi về mặt hóa học. Điều này có nghĩa rằng nó có thể tăng tốc độ đáng kể của một phản ứng hóa học hay thay đổi sự đóng góp sản phẩm của mình hướng tới một hợp chất cụ thể mà không bị tiêu hao trong phản ứng. Từ một điểm năng lượng, điều này có nghĩa là một chất xúc tác có thể làm giảm các rào cản năng lượng cần thiết cho phản ứng xảy ra, tức là nhiệt độ thấp có thể được sử dụng cho các phản ứng xảy ra. Chất xúc tác tự nhiên được gọi là enzyme và có thể tập hợp các sản phẩm cuối cụ thể, luôn luôn tìm kiếm những con đường bằng các phản ứng diễn ra với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu và hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Chất xúc tác mà con người tạo ra không phải như các nguồn năng lượng hiệu quả. Chúng thường được tạo ra bằng các hạt kim loại cố định trên một bề mặt oxit, phát triển trên một dòng chảy nóng chất phản ứng (để giảm “chất xúc tác độc" xảy ra khi các loại đó phân tán trong không khí, như CO, chiếm các vị trí hoạt tính của các chất xúc tác). Một trong những đặc tính quan trọng nhất của một chất xúc tác là hoạt tính bề mặt của nó, nơi các phản ứng xảy ra. Các hoạt tính bề mặt tăng lên khi kích thước của các chất xúc tác giảm: các hạt xúc tác nhỏ hơn, là lý tưởng của tỉ lệ bề mặt đối với thể tích. Hoạt tính bề mặt của chất xúc tác cao hơn, lý tưởng, thuận lợi cho hiệu quả phản ứng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cấu tạo không gian của các vị trí hoạt tính trong chất xúc tác cũng rất quan trọng. Cả hai thuộc tính (kích thước hạt nano và cấu trúc phân tử/sự sắp xếp) có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng công nghệ nano. Đạt được một mức độ cao chọn lọc trong xúc tác cũng được công nhận là một thách thức quan trọng đối với tương lai. Trong khi bản chất đạt 100% độ chọn lọc trong các chất xúc tác enzyme có kích thước nanomet, như là sự chọn lọc trong quá trình tổng hợp vẫn còn là một thách thức. Các cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của các chất xúc tác mà các hạt có kích thước nano đóng một vai tròquan trọng trong sự chọn lọc. Như vậy, một phương pháp tổng hợp được đánh giá cao khi kiểm soát kích thước hạt mong muốn. Kết hợp của sự chọn lọc và ở nhiệt độ thấp là điều cần thiết cho phản ứng xảy ra tạo nên chất xúc tác dị thể là một trong các công nghệ tiết kiệm năng lượng chủ yếu. Tạo ra các cấu trúc trên quy mô kích thước nanomet là một vấn đề trọng tâm trong nghiên cứu xúc tác và phát triển trong nhiều thập kỷ. Thực tế này liên quan đến cấu trúc của một chất xúc tác không đồng nhất (dị thể), trong đó yêu cầu kiểm soát các vật liệu khác nhau, từ kích thước vĩ mô xuống đến cấp độ nano. Do đó xúc tác dị thể có cảm giác như là một phần của công nghệ nano. Vì hoạt tính chất xúc tác diễn ra tại bề mặt và vật liệu xúc tác này thường đắt tiền (như họ thường sử dụng các vật liệu quý hiếm như Pt), mục tiêu của các nhà hóa học là luôn luôn chế tạo các chất xúc tác có tỷ lệ bề mặt với thể tích càng cao càng tốt, vì vậy để tối đa hóa bề mặt tiếp xúc với các phản ứng và giảm thiểu lượng chất xúc tác cần thiết. Một ví dụ điển hình của xúc tác dị thể bao gồm vài loại xúc tác hoạt tính có kích thước hạt nanomet hạt phân tán trên một vật liệu hỗ trợ có độ xốp cao m có diện tích bề mặt có thể lên đến 250m 2 cho mỗi gram.Áp dụng các khái niệm công nghệ nano trong xúc tác đã bắt đầu cho thấy một tác động to lớn của nó đến công nghiệp. Sự hiểu biết chi tiết về thành phần hóa học của các cấu trúc nano và khả năng kiểm soát các vật liệu có kích thước nanomet sẽ đảm bảo phát triển hiệu quả và hợp lý hơn về mặt chi phí của các chất xúc tác mới và cải thiện cho việc sản xuất hóa chất. Một công cụ quan trọng mà đã được cách mạng hóa trong nghiên cứu xúc tác là kính hiển vi quét chui hầm (STM), là một công cụ có khả năng đạt được đúng độ phân giải tỉ lệ nguyên tử trong không gian thực. Khả năng của STM là trực tiếp giải quyết các cấu trúc bên trong nguyên tử, qua đó đã tiết lộ một cái nhìn sâu sắc, cần thiết, và đặc biệt, nhấn mạnh tầm quan trọng của các khía cạnh xúc tác, các điểm nút, đó là chỗ trống các nguyên tử hay các khuyết tật bề mặt khác, mà chỉ có thể nhìn thấy, phát hiện ở cấp độ nano và do đó thường bị bỏ sót bởi các kỹ thuật khác. STM Scanning Tunneling Microscope (STM) là kỹ thuật lần đầu tiên được giới thiệu đến cộng đồng khoa học vào giữa những năm 1980; trong năm 1986 Gerd Binnig và Heinrich Rohrer từ Phòng thí nghiệm nghiên cứu Zurich IBM ở Thụy Sĩ đã được trao giải Nobel Vật lý cho khám phá của mình. Sau đó, kỹ thuật kính hiển vi quét đầu dò khác (SPM) cũng được phát triển, chẳng hạn như kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Vì nó gần đây đã bình luận trong Nature Nanotechnology, "với sự xuất hiện của kính hiển vi quét đầu dò (SPM) và các kỹ thuật có liên quan trong năm 1980, để mở cánh cửa thế giới nano đã được rộng mở" 2. Trong các phần sau đây một số ví dụ về các nghiên cứu của các chất xúc tác theo mô hình STM được báo cáo cho thấy làm thế nào mà các công cụ kỹ thuật nano này có thể là phương thức của sự hiểu biết và thực hiện các ý tưởng mới lạ, hiệu quả hơn của chất xúc tác. Hình I.1: Sơ đồ biểu diễn cho thấy làm thế nào các hạt nano có thể được đưa vào các vật liệu xúc tác của một lò phản ứng nhiên liệu desulphurizing. Những hình ảnh về phía bên phải là một kính hiển vi quét chui hầm thực (STM) hình ảnh của một tinh thể nano MoS2 trên Au (111) cho thấy đặc thù nguyên tử thêm vào các cạnh của tinh thể I.3 Xúc tác quang TiO 2 I.3.1 Cấu trúc TiO 2 và tính chất vật lý Titandioxide (TiO 2 ) là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm. Ngày nay lượng TiO 2 được tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 3 triệu tấn. TiO 2 còn được biết đến trong vai trò của một chất xúc tác quang hóa. Tinh thể Titandioxide (TiO 2 ) có nhiều dạng thù hình trong đó có 2 dạng thù hình chính: Anatase và Rutile Bảng I.1: Thông số vật lý của Anatase và Rutile Thông số vật lý Anatase Rutile Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal Thông số mạng a,b (A o ) c (A o ) 3,758 9,5 4,58 2,95 Khối lượng riêng (g/cm3) 3,895 4,25 Độ khúc xạ 2,52 2,71 Độ cứng ( Thang Moh) 5,5 – 6,0 6,0- 7,0 Hằng số điện môi 31 114 114 Nhiệt độ nóng chảy ( o C) Ở nhiệt độ cao chuyển sang dạng rutile 1858 a Hình I.2: Mạng lưới không gian của Anatase và Rutile TiO 2 tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện thường, khi nung nóng có màu vàng. Không tan trong nước, không tan trong các aixit như axit sunfuric, clohydric… ngay cả khi đun nóng. Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO 2 có thể tham gia một số phản ứng với axit và kiềm mạnh. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti đều có tính bán dẫn. I.3.2 Đặc tính quang xúc tác của nano TiO 2 : Chất xúc tác là chất có tác dụng làm giảm năng lượng kích hoạt của phản ứng hóa học và không bị mất sau khi phản ứng. Nếu quá trình xúc tác được kích thích bằng ánh sáng thì được gọi là quang xúc tác. Chất có tính năng hoạt động mạnh trong các phản ứng hóa học khi được chiếu sáng gọi là chất quang xúc tác. Nhiều hợp chất bán dẫn như: TiO 2 , ZnO, In 2 O 3 có tính năng quang xúc tác, nhưng nano TiO 2 là một vật liệu quang xúc tác tiêu biểu. - Khi được chiếu ánh sáng, nano TiO 2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh nhất trong số những chất đã biết (gấp 1.5 lần Ozon, gấp 2 lần Clo – là những chất thông dụng vẫn được dùng trong xử lý môi trường). I.4 Cơ chế của hiện tƣợng xúc tác quang trên TiO 2 Anatas có năng lượng vùng cấm là 3,2 Ev, tương đương với một lượng tử ánh sang có bước sóng 388nm. Rutil có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 413nm. Khi TiO 2 hấp thụ một photon có năng lượng tương đương hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm của xúc tác này, nó có thể thúc đẩy quá trình kích thích, electron sẽ di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại một lỗ trống vùng hóa trị. Khi đó electron này đóng vai trò làm chất khử còn lỗ trống hoạt động như một chất oxy hóa. TiO 2 + h  TiO 2 + e - + h + Trong dung dịch nước, những lỗ trống sẽ bị bẫy bởi những chất cho electron như H 2 O, OH - và những phân tử hữu cơ R bị hấp thụ lên bề mặt xúc tác TIO2 để hình thành các gốc tự do hydroxyl OH  và R  H 2 O+ h +  H + + OH  OH - + h +  OH  R + h +  R  Các electron quang sinh phản ứng với các chất cho e như O 2 để hình thành nên những anion superoxide. e - + O 2  O 2- O 2- + H +  HO 2  HO 2   H 2 O 2 + O 2 e- + H 2 O 2  HO  + HO - H 2 O 2 + O 2-  O2+ HO  + HO - Vùng dẫn của rutil có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế chuẩn bằng 0,00V), trong khi với anatas thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một thế khử mạnh hơn. Theo như giản đồ thì anatas có khả năng khử O 2 thành O 2- , như vậy là ở anatas các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O 2 thành O 2- còn rutil thì không. Do đó anatas có khả nhận đồng thời oxygen và hơi nước từ không khí cùng ánh sáng UV để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể anatas dưới tác dụng của ánh sáng UV đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ H 2 O sang O 2 là hai dạng có hoạt tính oxy hóa cao có khả năng phân hủy chất hữu cơ thành H 2 O và CO 2 . Hình I.3: Sơ đồ minh họa giản đồ vùng năng lượng của TiO 2 Bên cạnh đó, quá trình tái hợp các tiểu phân mang điện cũng diễn ra, quá trình này có thể làm giảm hiệu quả xúc tác của TiO 2 : TiO 2 + h + + e -  TiO 2 I.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xúc tác quang hóa TiO 2 Hàm lượng xúc tác, nhiệt độ, độ Ph, độ tinh thể hóa, bước sóng và cường độ bức xạ, nồng độ oxygen, thành phần pha tinh thể, kích thước hạt… Trong bài này ta đề cập nhiều đến yếu tố kích thước hạt: một thong số rất quan trọng đến các giai đoạn phản ứng quang hóa là hình thái học của xúc tác, chủ yếu là kích thước hạt của TiO 2 , TiO 2 với kích thước nanomet khắc phục được những yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác là hiệu suất lượng tử thấp và sự hình thành sản phẩm phụ không mong muốn. TiO 2 nanomet có hoạt tính quang hóa cao hơn và chọn lọc hơn TiO 2 P25 Degussa thương mại. Tùy theo kích thước tinh thể, TiO 2 nanomet có những tính chất cấu trúc, tính chất điện và tính chất quang hóa khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, không phải kích thước thước hạt càng bé sẽ dẫn đến hoạt tính càng cao mà tồn tại một kích thước hạt TiO 2 tối ưu để cho các tốc độ phân hủy quang hóa đạt cực đại, chẳng hạn đối với quá trình quang phân hủy chloroform trong nước, kích thước tối ưu của TiO 2 là 11nm, điều này được giải thích rằng do tốc độ tái hợp e - /h + chủ yếu được xác định bằng số lượng tâm khuyết tật trên bề mặt bán dẫn, vì vậy khi các hạt bé hơn kích thước tối ưu thì xác suất gặp gỡ các hạt điện tích tăng lên và dẫn đến tốc độ tái hợp e - /h + ở bề mặt sẽ tăng lên. Kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đối với hệ quang hóa trong môi trường nước. Ở kích thước nhỏ hơn 30nm, hoạt tính quang hóa tăng lên cùng với kích thước hạt, do ảnh hưởng đáng kể của việc tăng kích thước hạt đến sự hấp phụ ánh sáng và động lực của các hạt mang điện quang sinh trong kích thước này. Kết quả nghiên cứu cho rằng, kích thước hạt tối ưu của TiO 2 nằm trong khoảng từ 25-24nm tương ứng với kích thước tinh thể pha atanas khoảng 25nm. Sự tồn tại kích thước hạt và kích thước tinh thể tối ưu là do có sự phụ thuộc của hiệu quả hấp phụ và tán xạ ánh sáng và động lực của các hạt mang điện vào kích thước hạt đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn 30nm. Khi kích thước hạt lớn hơn 30nm, diện tích bề mặt có tính chất quyết định đến hoạt tính quang hóa và khi đó hoạt tính giảm cùng với việc tăng kích thước hạt. Diện tích bề mặt lớn với mật độ các chất trên bề mặt không dổi dẫn đến tốc độ phản ứng giữa các e và lỗ trống với các chất nhanh hơn bởi số lượng các chất bao quanh cặp e - /h + nhiều hơn. Theo đó thì diện tích bề mặt càng lớn thì hoạt động quang xúc tác càng cao. Đối với titan dioxit có bề mặt và kích thước hạt xác định thì hoạt tính xúc tác sẽ tăng tuyến tính theo kích thước tinh thể pha anatas cho đến khi không có sự xuất hiện pha rutil. I.6 Ƣu điểm Một phương pháp thân thiên với môi trường và kinh tế hơn cả đó là nghiên cứu đưa vào quá trình ứng dụng quang cảm ứng. Cụ thể là sử dụng nguồn năng lượng dồi dào là ánh sang tự nhiên (bức xạ điện từ kết hợp với hạt kích cỡ nanomet nhạy quang tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh.Các chất này có vai trò khoáng hóa hầu hết các chất hữu cơ gây ô nhiễm, đưa về dạng ít độc hơn với một số chất vô cơ, góp phần quan trrong trong việc giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước và không khí. Các chất nhạy quang có tác dụng kể trên đa số là các oxít kim loại chuyển tiếp có tính bán dẫn với độ rộng mức năng lượng vùng cấm (Eg) phù hợp với năng lượng bức xạ tự nhiên. Thống kê các kết quả nghiên cứu trên nhiều oxit kim loại, titanium dioxide gần như là chất bán dẫn lý tưởng cho quá trình quang xúc tác vì độ bền cao, linh hoạt trong nghiên cứu, giá thành thấp và an toàn cho người lẫn môi trường. Vật liệu xúc tác quang hóa chủ yếu từ TiO 2 , Fe 2 O 3 , ZnO trong đó TiO 2 (TitanDioxide) có hoạt tính xúc tác quang hóa cao nhất và là vật liệu rẻ tiền và không độc hại với sức khỏe con người. I.7 Nhƣợc điểm: Với Eg xấp xỉ 3 các hạt TiO 2 chỉ nhạy với bức xạ UV, đây là hạn chế đầu tiên của TiO 2 khi áp dụng vào thực tế vì bức xạ chỉ chiếm khoảng 4% tổng lượng bức xạ được nhận từ mặt trời. Thứ hai, các hạt TiO 2 phải ở kích cỡ sao cho hiệu suất lượng tử là cao nhất, nghĩa là ở cấp hạt nanomet. Thứ ba, bề mặt của hạt xúc tác phải được cải thiện sao cho số tâm hoạt tính là tối ưu nhất. Cuối cùng là chất quang xúc tác phải có độ bền cao và ổn định. Hiện nay có dạng xúc tác TiO 2 thương mại, kí hiệu P25 được cho là dạng xúc tác TiO 2 tinh khiết nhất nhưng dạng này chỉ có hiệu quả tốt với bức xạ UV. Do đó người ta đã tìm cách tạp hóa TiO 2 bằng một vài nguyên tố hóa học khác bao gồm cả kim loại lẫn phi kim nhằm mục đích giảm Eg và đã được một số thành công nhất định, giải quyết được hạn chế về phạm vi ứng dụng của TiO 2 . I.8 Ứng dụng của xúc tác quang TiO 2 I.8.1 Lĩnh vực bột màu TiO 2 là một trong các vật liệu cơ bản trong cuộc sống hàng ngày. TiO 2 có chiết suất cao vượt trội, tính trơ tốt, và gần như trắng thuần khiết, tất cả các tính chất trên khiến nó gần giống với bột màu trắng lý tưởng. Nó được sử dụng rộng rãi làm bột màu trắng trong sơn, giấy, kem đánh răng, mực in… mĩ phẩm và thực phẩm. I.8.2 Tác dụng diệt khuẩn, khử trùng và khử mùi Quá trình quang xúc tác có thể phá hủy vật liệu sinh học như vi khuẩn, vi rút và nấm mốc,…Cơ chế diệt khuẩn này chủ yếu là do các lỗ trống quang sinh, electron quang sinh, electron quang sinh có trên bề mặt xúc tác có tác dụng phá hủy hoặc làm biến dạng thành tế bào, làm đứt gãy chuỗi AND của vật liệu sinh học kể trên làm cho chúng không hoạt động hoặc chết ngay tức khắc. Xúc tác quang hóa không chỉ tiêu diệt tế bào vi khuẩn mà còn phân hủy các tế bào đó. TiO 2 đã được tìm thấy là có hiệu quả hơn bất kỳ chất kháng khuẩn nào, vì phản ứng quang xúc tác làm việc ngay cả khi các tế bào bao phủ bề mặt và trong khi vi khuẩn đang nhân đôi tích cực. Độc tố cuối cùng sinh ra khi tế bào chết cũng bị phân hủy bởi hoạt động của quang xúc tác. TiO 2 không bị hư hao và cho thấy hiệu quả chống khuẩn lâu dài. Nói theo cách thông thường, việc khử trùng bằng TiO 2 mạnh gấp 3 lần chlorin và 1,5 lần ozon. Trong ứng dụng khử mùi, các gốc hydroxyl thúc đẩy nhanh quá trình phá vỡ của các hợp chất hữu cơ không bền hay VOCs bằng cách phá hủy các liên kết trong phân tử. Điều này giúp kết hợp các khí hữu cơ để tạo thành các đơn phân tử mà không gây hại cho con người vì thế làm tăng hiệu quả làm sạch không khí. Vài ví dụ về các phân tử có mùi như thuốc lá, HCHO, NO 2 , mùi nước tiểu và phân, dầu hóa và bất kì phân tử hydrocarbon nào trong khí quyển. Máy làm sạch không khí với TiO 2 có thể ngăn khói thuốc và chất bẩn, phấn hoa. Vi khuẩn, virus và các khí độc cũng như bắt giữ các vi khuẩn, virus và các khí độc cũng như bắt giữ các vi khuẩn tự do trong không khí bằng cách lọc khoảng 99,9% với sự trợ giúp của xúc tác TiO 2 . Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm. “Photocatalyst” có nghĩa là TiO 2 với sự có mặt của ánh sáng tử ngoại có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, bao gồm cả nấm, vi khuẩn, vi rút. TiO 2 có khả năng phân hủy hiệu quả đặc biệt là với số lượng nhỏ. Môi trường như phòng vô trùng, phòng mổ bệnh viện là những nơi yêu cầu về độ vô trùng rất cao, công tác khử trùng cho các căn phòng này thường được tiến hành kỹ lưỡng và khá mất thì giờ. Nếu trong các căn phòng này chúng ta sử dụng sơn tường, cửa kính, gạch lát nền dùng TiO 2 thì chỉ với một đèn chiếu tử ngoại và chừng 30 phút là căn phòng đã hoàn toàn vô trùng. Các electron tiêu diệt các tế bào ung thư. Ung thư ngày nay vẫn là căn bệnh gây tử vong nhiều nhất. Việc điều trị bằng các phương pháp nhiễu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật thường tốn kém mà kết quả thu được không cao. Hiện nay TiO 2 đang được xem xét như là một hướng đi khả thi cho việc điều trị ung thư. Người ta đang thử ngiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo nên các khối ung thư trên chuột, sau đó tiêm một dung dịch chứa TiO 2 vào khối u. Sau 2-3 ngày người ta cắt bỏ lớp da trên và chiếu sáng vào khối u, thời gian 3 phút là đủ để tiêu diệt các tế bào ung thư. Với các khối u sâu trong cơ thể thì một đèn nội soi sẽ được sử dụng để cung cấp ánh sáng. I.8.3 Hiệu quả làm sạch không khí Xử lý ô nhiễm không khí ở nước ta từ trước đến nay ít được quan tâm nghiên cứu triển khai. Hầu hết các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường chỉ tập trung vào làm sạch nước, xử lý nước thải mà chưa thực sự đầu tư vào làm sạch môi trường không khí mặc dù ô nhiễm không khí đã đến mức báo động. Các biện pháp như tuyên truyền giáo dục, tăng cường diện tích cây xanh, quy hoạch hợp lý các công trình dân sinh chỉ giảm thiểu một phần ô nhiễm không khí. Vì vậy, các biện pháp công nghệ như quá trình oxy hóa – khử kết hợp, hấp phụ, lọc khí cần thiết phải áp dụng. Trong đó, các giải phảp chế tạo các màng lọc vật liệu kích thước nano vừa có khả năng hấp phụ lại vừa có khả năng xúc tác để diệt khuẩn, nấm mốc, xử lý nguồn khí thải phân tán trong không khí rất hiệu quả và tiềm năng. Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu nano, đặc biệt là nano Titandioxit – TiO 2 được coi là cơ sở khoa học đầy triển vọng cho các giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí. TiO 2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất cao, từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm…Tuy nhiên, những ứng dụng quan trọng nhất của TiO 2 ở kích thước nano là khả năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ở quy mô dân dụng. Trong lĩnh vực công nghệ nano, thật khó tìm thấy một loại vật liệu nào lại có nhiều ứng dụng quý giá, thậm chí không thể thay thế như vật liệu nano TiO 2 . Khả năng phản ứng của TiO 2 có thể được dùng để khử hay làm giảm bớt các hợp chất ô nhiễm không khí như NO , khói thuốc lá, cũng như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi sinh ra từ các vật liệu xây dựng khác nhau. Khả năng phản ứng cao của nó cũng có thể dùng để bảo vệ các nhà đèn và các bức tường trong các đường hầm. Các thành phần không khí như chlorofluorocarbon (CFCs) và CFC, các khí nhà xanh, và các hợp chất nitrogen và lưu huỳnh trải qua các phản ứng hóa học hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp khi có ánh sáng mặt trời. Trong vùng ô nhiễm, các chất ô nhiễm này cuối cùng có thể bị loại bỏ. I.8.4 Chống bám sương, tự làm sạch Hầu hết các bức tường bên ngoài các công trình trở nên bị dơ vì các khói thải thoát ra từ các bộ lọc, chứa các thành phần đầy dầu. Khi các vật liệu ban đầu của công trình được bao phủ bởi quang xúc tác, một bản mỏng bảo vệ của TiO 2 cung cấp tính năng tự làm sạch bằng cách tích điện, siêu oxy hóa và có thể thấm nước. Hydrocarbon từ các ống lọc khí độc bị oxy hóa và các chất dơ trên các bức tường được làm sạch khi có mưa, giữ cho bề ngoài công trình luôn sạch. Ứng dụng điển hình của tính chất này là làm sơn quang xúc tác. Sơn là một dạng chất lỏng có chưa vô số các tính thể TiO 2 cỡ chừng 8-25nm. Do tinh thể treo lơ lửng mà không lắng đọng trong chất lỏng nên sơn được gọi là huyền phù TiO 2 . Khi được phun lên kính, tường, gạch…Sơn sẽ tạo ra lớp màng mỏng trong suốt bám chắc vào bề mặt. Sau khi các vật liệu được đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxygen và hơi nước trong không khí, TiO 2 sẽ hoạt động như một chất xúc tác để phân hủy bụi, rêu mốc, khí thải độc hại, hầu hết các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu thành nước và CO 2 . TiO 2 không bị tiêu hao theo thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác không tham gia vào phản ứng phân hủy. Vật liệu tự làm sạch các nhà khoa học đã nghiên cứu về TiO 2 từ khoảng 2-3 thập kỷ trước. Một khía cạnh hết sức độc đáo và đầy triển vọng là chế tạo các vật liệu tự làm sạch ứng dụng cả hai tính chất xúc tác quang hóa và siêu thấm ướt. Ý tưởng này bắt nguồn khi những vật liệu cũ như gạch lát nền, cửa kính các tòa nhà cao ốc, sơn tường thường bị bẩn chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng. Có những nơi dễ dàng lau chùi như gạch lát, sơn tường trong nhà của chúng ta nhưng có những nơi việc làm vệ sinh là rất khó khăn như của kính các tòa nhà cao ốc, mái vòm của các công trình công cộng kiểu như nhà hát Opera ở Sydney, hay như mái của các sân vận động hiện đại ngày nay. Chúng ta vẫn ao ước có được các loại vật liệu tự làm sạch để một ngày nào đó chúng ta không còn phải làm các công việc đầy nguy hiểm là leo lên các công trình này, và giờ đây các loại vật liệu này đã được thử nghiệm. Nước trải đều ra bề mặt thay vì thành giọt, cuốn theo chất bẩn đi xuống. Các cửa kính với một lớp TiO 2 siêu mỏng, chỉ dày cỡ micro, vẫn cho phép ánh sáng thường đi qua nhưng lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ do các phương tiện giao thông thải ra. Các vết bẩn này cũng dễ dàng bị loại bỏ chỉ nhờ nước mưa, đó là do áp lực lớn của bề mặt với nước, sẽ tạo ra một lớp nước mỏng trên bề mặt và đẩy chất bẩn đi. Bụi bẩn, kính lớp màng chứa tinh thể TiO 2 . Ánh mặt trời chiếu tia cực tím kích thích phản ứng quang hoá trong lớp TiO 2 , bẻ gẫy các phân tử bụi. Khi nước rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước. Nước trải đều ra bề mặt, tạo ra hiệu ứng thấm nước. Do những đặc điểm ưu việt nổi trội nêu trên nên một số công ty đã chế tạo thành công các thiết bị làm sạch không khí trên cơ sở tính chất xúc tác quang hóa của nano TiO 2 . Tuy nhiên, không có công ty nào có thể đạt được hiệu suất dưới ánh sáng UV có bước sóng tiêu chuẩn (254nm) vượt trội so với sản phẩm AIROCIDE của hãng AKIDA HOLDING LLC. Đây là đơn vị đi đầu trong lĩnh vực này ở Mỹ. Các thiết bị làm sạch không khí mang tên AIROCIDE của đã bán sang một số nước ở Châu Âu, Châu Á, Châu Phi… và được giải vàng EDISON về sản phẩm và dịch vụ sáng tạo nhất thế giới năm 2013. I.8.5 Xử lý các chất ô nhiễm Quá trình quang xúc tác của TiO 2 có khả năng xử lý các haloalkan như chloroform và tetraclorometan, là những chất có khả năng gây ung thư thường có một lượng nhỏ trong nước uống khi dùng clo để khử trùng. Vì vậy, sau khi xử lý nước bằng clo nên đưa qua xử lý bằng xúc tác quang TiO 2 có khả năng xử lý thành các chất vô cơ ít độc hại với môi trường như CO 2 , H 2 O, các acid vô cơ,…Vì vậy, TiO 2 cũng có ứng dụng quan trọng trong việc xử lý nước thải. Với các chất vô cơ độc hại như các ion nitrit, sunfit, cianur,…thì dưới tác dụng của ánh sáng kích thích, TiO 2 có khả năng xử lý thành các chất ít độc hại hơn như NO 3- , SO 4 2- , CO 2 , N 2 ,…Ví dụ như việc loại bỏ ion bromat với hàm lượng rất nhỏ, dưới 50ppb, là rất khó khăn đối với các công nghệ cũ, nhưng trở nên dễ dàng đối với việc sử dụng chất xúc tác quang hóa TiO 2 . Quang xúc tác kết hợp với ánh sáng UV không những có thể oxy hóa các chất bẩn hữu cơ, vô cơ mà còn có thể diệt vi khuẩn. Kĩ thuật này rất hiệu quả để loại bỏ các hợp chất hữu cơ nguy hiểm và tiêu diệt các vi khuẩn khác nhau và vài virus trong nước thải xử lý lần 2. Các dự án hàng không chứng tỏ rằng hệ giải độc bằng xúc tác quang có thể có hiệu quả giết ecoli trong phân xử lý nước thải lần 2. Nano TiO 2 có thể phân hủy được các chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen… cũng như một số loại virut, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác. Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO 2 trở nên kỵ nước hay ái nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo. Khả năng này được ứng dụng để tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa không cần hóa chất và tác động cơ học hoặc các thiết bị làm lạnh không cần điện. Khả năng quang xúc tác mạnh của nano TiO 2 còn đang được nghiên cứu ứng dụng trong pin nhiên liệu và xử lý CO 2 gây hiệu ứng nhà kính. - Nano TiO 2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân hủy, tác động vào vi sinh vật như phân hủy một hợp chất hữu cơ. Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh. - Nano TiO 2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài. Bản thân nano TiO 2 không độc hại, sản phẩm của sự phân hủy chất này cũng rất an toàn. Những đặc tính này tạo cho nano TiO 2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước và không khí các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học. CHƢƠNG II: MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU II.1 Mô hình chất xúc tác HYDRODESULFURIZATION nghiên cứu bởi STM Trong phòng thí nghiệm Aarhus STM liên quan với iNANO, các nhà nghiên cứu trong những năm qua đã sử dụng một mô hình được tạo ra có độ phân giải cao bởi STM để nghiên cứu một số công nghệ có liên quan về chất xúc tác nano, và những [...]... hiện cơ bản này lấy cảm hứng từ sự tổng hợp chất xúc tác có diện tích bề mặt cao được sử dụng cho công nghiệp ứng dụng thực tế ( MgAl2O4 hỗ trợ chất xúc tác Ni, với 16,5% wt Ni bị biến đổi cùng với 0,3% trọng lượng của Au) Chất xúc tác này được so sánh với một chất xúc tác Ni thông thường trong phương pháp reforming hơi của n-butan Nó đã được tìm thấy rằng trong khi các chất xúc tác thông thường ngừng... dẫn xúc tác quang có thể được sử dụng để làm sạch các chất hữu cơ dễ bay hơi Các ứng dụng thương mại hiện hành của sơn quang xúc tác chủ yếu là đối với khu vực ngoại thất, sơn mặt tiền, thông qua quá trình quang xúc tác, không dễ bị làm bẩn và như vậy giúp giữ cho bề mặt của tòa nhà sạch Gần đây, sơn xúc tác quang được sử dụng trong nhà đã bắt đầu được sản xuất Ngoài các hộ gia đình thông thường các ứng. .. để phát triển chất xúc tác nano Au ổn định Sự ổn định lâu dài của chất xúc tác nano Au hiện nay là vấn đề quan trọng nhất liên quan đến loại chất xúc tác Bây giờ đã biết rằng kích thước của các hạt Au ảnh hưởng đáng kể tới hoạt tính, và hoạt tính xúc tác cao chỉ tồn tại trên hạt Au kích cỡ nanomet Hơn nữa, nó được cho rằng có một "hiệu ứng hỗ trợ" mạnh mẽ thêm vào cùng với hiệu ứng kích thước, điều... cũng ảnh hưởng đến chất xúc tác trên các hạt nano Au hoặc đám nano Trong khía cạnh này, nó đã được đề xuất rằng các điểm khiếm khuyết và bên cạnh các giai đoạn hỗ trợ bởi oxitlà rất quan trọng đến sự ổn định của các hạt Au trên oxit và do đó có một vai trò quan trọng trong việc xác định các hoạt tính xúc tác của nano Au Tuy nhiên, các cơ chế (s) của phản ứng xúc tác phân tán trên nano Au và bản chất hoạt... là một kim loại quý, do đó không phản ứng, nhưng với sự ngạc nhiên lớn trong năm 1980, Haruta4 cho hấy rằng các hạt nano vàng mịn phân tán trên chất hỗ trợ là oxide là chất xúc tác rất hoạt động Trong nhiều trường hợp, các hoạt tính chất xúc tác và độ chọn lọc phân tán của các hạt nano Au vượt quá những sự chuyển đổi so với các chất xúc tác kim loại thường được sử dụng như Pt, Rh, và Pd Vì vậy, đó là... Hoạt tính xúc tác: Hoạt tính của các chất xúc tác trong phản ứng SELOX được đo dưới sự cố định liên tục, hình dạng lò phản ứng hình chữ U, dưới áp lực của khí quyển Dòng khí chảy ra được đo bằng sắc ký khí được trang bị một cột COx Các phản ứng được nghiên cứu từ 0oC đến sự chuyển hóa tối đa CO Các thí nghiệm xúc tác được thực hiện với 100mg của mẫu Sử dụng các thành phần 1%CO, 1%O2, 60%H2 trong dòng... đầu này được thể hiện trong hình II.4, từ đó nó xuất hiện rằng hoạt động quang xúc tác đối với xúc tác quang của AO7 cho P25 và ZnO khá tương tự, với ZnO xuất hiện tốt hơn một chút so với TiO2 (P25), mặc dù sau này thường được thực hiện là một tiêu chuẩn (benchmark) vật liệu quang xúc tác Thật vậy, trong nghiên cứu gần đây của chúng tôi, P25 là báo cáo là một trong những quang xúc tác tốt nhất cho sự... khoảng 10 tác quang TiO2 thương mại Sự liên quan của hình II.4 là trong dung dịch nước treo cả ZnO và chất xúc tác quang TiO2 xuất hiện như một hoạt động tương tự đối với xúc tác của AO7 Hình II.4: Sự giảm hoạt tính xúc tác của Acid Orange 7 trong huyền phù (0,5 g / dm3) của TiO2(P25) và ZnO Tốc độ phản ứng ban đầu là 5,5 x 10-7 mol / dm3/ phút và 8,3 x 10-7 mol / dm3/ phút cho TiO2 và ZnO, tương ứng Các... vẽ bằng 4 w % Của quang xúc tác (mở biểu tượng), vẽ bằng 8 w % của quang xúc tác (biểu tượng rắn) Nó xuất hiện rằng trước khi tiếp xúc trong các đơn vị QUV tất cả các mẫu trưng bày một góc tiếp xúc giữa 80-70 ° Đối với các mẫu có chứa một P25 mạnh mẽ giảm góc tiếp xúc với thời gian phơi sáng QUV được quan sát thậm chí chỉ sau 200 h của UV tiếp xúc trong các đơn vị thời tiết Trong trường hợp của sơn... khác được tối ưu hóa Hiện tại, quá trình sử dụng một chất xúc tác Nickel (Ni), là rất hoạt động, nhưng xúc tác này lại hình thành nên than chì Hình thành Graphite làm cản trở hoạt động của các chất xúc tác và cuối cùng có thể dẫn đến sự sụp đổ nó Một nghiên cứu cơ bản đã được thực hiện tại iNANO để vượt qua giới hạn này Một chất xúc tác mới đã được nghiên cứu, trong hình thành một hợp kim của vàng/nickel . Đặc tính quang xúc tác của nano TiO 2 : Chất xúc tác là chất có tác dụng làm giảm năng lượng kích hoạt của phản ứng hóa học và không bị mất sau khi phản ứng. Nếu quá trình xúc tác được kích. càng yếu thì sự tái cấu trúc chúng xảy ra càng dễ dàng. II.2 Ứng dụng công nghệ nano trong xúc tác Xúc tác có tầm quan trọng sống còn trong xã hội chúng ta và tạo nên nền tảng của cuộc sống từ. cấp độ nano. Do đó xúc tác dị thể có cảm giác như là một phần của công nghệ nano. Vì hoạt tính chất xúc tác diễn ra tại bề mặt và vật liệu xúc tác này thường đắt tiền (như họ thường sử dụng các