Nghiên cứu khả năng ưa nước và kỵ nước của màng tio2 và m tio2 các đế khác nhau

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI ************************** V VN CễNG NGHIấN CU KH NNG A NC V K NC CA MNG TiO2 V M.TiO2 TRấN CC KHC NHAU Chuyờn ngnh: Vt lý k thut LUN VN THC S KHOA HC NGI HNG DN KHOA HC: TS NGUYN NGC TRUNG H NI 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc LI CM N Tụi xin by t lũng bit n sõu sc ti TS Nguyn Ngc Trung, ngi ó hng dn tụi v mt khoa hc v cung cp nhng trang thit b cn thit giỳp tụi hon thnh ỏn tt nghip ny Tụi cng xin chõn thnh cm n s giỳp nhit tỡnh ca Ths Lu Th Lan Anh v cỏc cỏn b thuc Phũng thớ nghim Phõn tớch v o lng vt lý quỏ trỡnh tụi lm thc nghim Tụi xin by t lũng bit n i vi cỏc thy, cụ giỏo Vin Vt lý k thut trng i hc Bỏch Khoa H Ni v s dy d tn tỡnh hai nm hc v nghiờn cu va qua Tụi cng khụng th quờn s khớch l v to mi iu kin ca nhng ngi thõn gia ỡnh, cỏc bn bố, ng nghip cụng ty Thit b v Dch v k thut quc t (IETS) ú l ng lc giỳp tụi hon thnh khoỏ hc ny Trong thi gian thc hin lun vn, mc dự tụi ó rt c gng nhng chc chc khụng trỏnh nhng thiu sút, tụi rt mong c s thụng cm ca tt c mi ngi H Ni, thỏng 10 - 2010 Hc viờn V Vn Cụng V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc MC LC LI CM N MC LC M U CHNG I: TNG QUAN V VT LIU TiO2 I.1 Cu trỳc tinh th ca TiO2 I.2 Tớnh cht ca vt liu TiO2 I.2.1 Tớnh cht hoỏ lý I.2.2 Tớnh cht quang xỳc tỏc I.2.3 Tớnh cht siờu a nc 13 I.3 Mt s ng dng ca vt liu TiO2 .16 I.3.1 ng dng cụng ngh in t 17 I.3.2 ng dng x lý ụ nhim mụi trng .18 CHNG II: PHNG PHP CH TO VT LIU TIO2 CU TRC NANO 22 II.1 Phng phỏp sol-gel 22 II.1.1 Phng phỏp so- gel i t thu phõn cỏc mui 23 II.1.2 Phng phỏp sol-gel i t thu phõn cỏc phc cht .24 II.1.3 Phng phỏp sol-gel i t thu phõn cỏc alkoxide kim loi 24 II.2 Phng phỏp nhit thu phõn 25 II.2.1 Nhit thu phõn mụi trng nc .26 II.2.2 Nhit thu phõn mụi trng axit .27 II.2.3 Nhit thu phõn mụi trng kim 29 CHNG III: CC PHNG PHP NGHIấN CU V THC NGHIM 32 III.1 Hoỏ cht v thit b 33 III.1.1 Hoỏ cht .33 V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc III.1.2 Dng c v thit b 33 III.2 Quy trỡnh thc nghim .33 III.2.1 To sol 34 III.2.2 Thu nhit 35 III.2.3 Lm sch v x lý nhit .35 III.2.4 Kho sỏt c tớnh sn phm 34 III.3 Cỏc phng phỏp thc nghim nghiờn cu c tớnh vt liu 36 III.3.1 Phng phỏp phõn tớch nhit (DSC-TGA ) 36 III.3.2 Phng phỏp chp nh hin vi in t quột (SEM) .37 III.3.3 Phng phỏp nhiu x tia X (XRD) 38 III.3.4 Phng phỏp ph tỏn x Raman 40 III.3.5 Phng phỏp ph t ngoi-kh kin (UV-VIS) 41 CHNG IV: CC KT QU NGHIấN CU V THO LUN 43 IV.1 Kho sỏt mt s c trng v hỡnh thỏi b mt ca mng TiO2 v M.TiO2 43 IV.1.1 Kt qu phõn tớch nhit vi sai (DSC-TGA) 43 IV.1.2 Kt qu phõn tớch cu trỳc bng phng phỏp nhiu x tia X 44 IV.1.3 Kt qu phõn tớch hỡnh thỏi b mt mng bng hin vi in t quột 47 IV.1.4 Kt qu o ph tỏn x Raman 50 IV.1.5 Kt qu o ph UV-VIS .53 IV.2 ỏnh giỏ kh nng a nc v k nc ca cỏc mu mng .54 KT LUN 58 TI LIU THAM KHO 59 V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc M U Vt liu TiO2 cú cu trỳc c nano t lõu c nghiờn cu v ng dng nhiu lnh vc nh cụng nghip in t, hoỏ hc xỳc tỏc, y dc, m phm v mụi trng [3-11] Vt liu TiO2 ó c s dng ch to cỏc khu trang dit khun, mỏy lm sch khụng khớ Sn cú pha ht nano TiO2 s cho bỏm dớnh rt cao, giỳp lp sn bn lõu, gim rờu mc Ngi ta ph TiO2 lờn si to cỏc loi vi khụng dớnh nc v bi khụng bỏm c Ngoi ra, TiO2 quang hot cng cú kh nng phõn hy tt d lng thuc bo v thc vt, hooc-mụn v cỏc cht bn vng khỏc nh cỏc hp cht clo húa, toluen, hydrocacbon thm v bt mu hu c Chớnh vỡ vy, TiO2 quang hot cú th dựng x lý nc thi v cỏc cht thi c hi [5, 8, 9, 11] Kh nng ng dng v c tớnh siờu a nc v t trụi ca mng nano TiO2 l rt ln, c bit lnh vc xõy dng, giao thụng v thi trang Bn thõn TiO2 ch th hin tớnh siờu a nc c chiu sỏng t ngoi vi bc súng ngn hn 388 nm ng thi, vic pha thờm kim loi nh Fe cú th giỳp mng TiO2 hp th c photon vựng ỏnh sỏng kh kin, lm tng hiu sut xỳc tỏc quang v tớnh a nc ca mng iu kin chiu sỏng ban ngy bỡnh thng [2, 6, 21] õy l c s chỳng tụi la chn ti: Nghiờn cu kh nng a nc v k nc ca mng TiO2 v M.TiO2 trờn cỏc khỏc thc hin c mc tiờu nghiờn cu trờn, ti cn thc hin c cỏc nhim v sau: ỹ Ch to mng mng TiO2 cu trỳc c nano bng phng phỏp sol-gel kt hp nhit thu phõn, phi hp c nhng u im ca hai phng phỏp ny [30-33] ỹ a thờm Fe vi cỏc nng khỏc vo dung dch sol to c mng TiO2 cú pha Fe (mng Fe-TiO2) V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc ỹ Nghiờn cu cỏc c tớnh ca mng thu c nh cu trỳc tinh th, kớch thc ht, hỡnh thỏi b mt bng cỏc phng phỏp nh ph nhiu x tia X, hin vi in t quột, ph tỏn x Raman v ph hp th t ngoi - kh kin (UV-VIS) ỹ Nghiờn cu v ỏnh giỏ kh nng a nc, k nc ca mng Bn lun c trỡnh by vi kt cu bao gm chng nh sau: Chng I : Tng quan v vt liu TiO2 Trong chng ny chỳng tụi a cỏi nhỡn tng quan v vt liu bao gm cỏc c trng cu trỳc, tớnh cht hoỏ lý cng nh kh nng ng dng ca vt liu cỏc lnh vc i sng Chng II : Phng phỏp ch to vt liu mng TiO2 Chỳng tụi trung vo cỏc phng phỏp to cu trỳc mng TiO2 m s c s dng phn thc nghim ca ti l phng phỏp sol-gel v phng phỏp nhit thu phõn Chng III : Cỏc phng phỏp nghiờn cu v thc nghim Cỏc bc quy trỡnh cụng ngh ch to mu nh to gel, to mng TiO2 v M.TiO2 , cỏc phng phỏp s dng nghiờn cu c tớnh vt liu cng c trỡnh by chi tit Chng IV : Cỏc kt qu nghiờn cu v tho lun Phn ny trỡnh by v cỏc kt qu thc nghim thu c, ng thi phõn tớch nh hng ca cỏc thụng s cụng ngh n sn phm ó c ch to Kh nng a nc v k nc ca mng TiO2 v M.TiO2 c kho sỏt thụng qua s thay i gúc tip xỳc ca git nc trờn mng ny cú chiu sỏng v khụng chiu sỏng KT LUN : a mt s kt lun v hng nghiờn cu tip theo da trờn nhng kt qu ó nghiờn cu c ca lun V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc CHNG I TNG QUAN V VT LIU TiO2 I.1 Cu trỳc tinh th ca TiO2 TiO2 l ụxit kim loi chuyn tip, tn ti t nhiờn di dng khoỏng vt TiO2 kt tinh dng tinh th khỏc l pha Anatase, Rutile v Brookite; ú ph bin nht l pha Rutile Vt liu TiO2 c ng dng nhiu nht thc t l TiO2 dng pha Anatase v Rutile Hng s tinh th, mt v b rng vựng cm ca tng dng tinh th c biu th bng I.1 Bng I.1 Thụng s v cu trỳc mng tinh th TiO2 pha Anatase, Rutile v Brookite [12] Dng tinh Cu trỳc mng th tinh th Anatase Rutile Brookite Lp phng (Tetragonal) Lp phng (Tetragonal) Trc thoi (Orthohomibic) Hng s tinh th () B rng vựng Mt a b c cm (eV) (g/cm3) 3.733 3.733 9.370 3.2 3.83 4.584 4.584 2.953 3.0 4.24 5.436 9.166 5.135 3.2 4.17 TiO2 cú tớnh n nh cu trỳc thp, TiO2 dng pha Anatase v Brookite x lý ti nhit cao s chuyn thnh pha Rutile Tu thuc vo iu kin ch to, x lý nhit m vt liu TiO2 thu c cú cu trỳc dng n pha hay dng kt hp Hỡnh I.1 a cu trỳc ụ mng v cu trỳc khụng gian ca TiO2 tn ti hai dng pha in hỡnh l Anatase v Rutile Trong hỡnh I.1 cho thy pha Anatase v Rutile u cú cu trỳc ụ c s dng lp phng (Tetragonal) bao gm cỏc bỏt din TiO6 (Octahedra) Pha Rutile cú s bin dng Orthohomibic yu cũn pha Anatase cú s bin dng mnh Trong cu trỳc Anatase cỏc Octahedra sp xp trờn cỏc mt (001) t lch v liờn kt chung cnh, mi Octahedra tip giỏp vi Octahedra V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Hỡnh I.1 Cu trỳc ụ mng v khụng gian ca TiO2 di dng pha Anatase v Rutile [13] Trong cu trỳc Rutile mi Octahedra tip giỏp vi 10 Octahedra bng liờn kt chung nh O theo phng Do s liờn kt gia cỏc Octahedra khỏc nờn pha Rutile cú cu trỳc i xng cao hn pha Anatase Khong cỏch Ti-Ti pha Anatase l (3,79 v 3,03) ln hn so vi pha Rutile (3,57 v 2,96) Khong cỏch Ti-O pha Anatase (1,966 v 1,937) nh hn pha Rutile (1,946 v 1,983) Chớnh s khỏc v cu trỳc mng tinh th nờn mt v cu trỳc vựng in t TiO2 hai pha Anatase v Rutile l khỏc iu ny cng dn ti tớnh cht hoỏ lý ca vt liu cng nh kh nng ng dng ca vt liu cỏc dng pha l khỏc [14] V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Ngoi vt liu TiO2 vi cu trỳc pha Brookite cú ụ c s dng trc thoi Orthohomibic kộm n nh nờn dng pha cu trỳc ny vt liu ớt c nghiờn cu a ng dng I.2 Tớnh cht ca vt liu TiO2 I.2.1 Tớnh cht hoỏ lý Tinh th TiO2 dng Anatase thng cú mu nõu sm, ụi cú th cú mu vng hoc xanh, cú sỏng búng nh tinh th kim loi, nhiờn li rt d b r b mt di dng cỏc vt xc cú mu trng TiO2 khụng tn ti riờng bit, dng Anatase c tỡm thy cỏc khoỏng cựng vi rutile, brookite, quarzt, feldspars, apatite, hematite, chlorite, micas, calcite, Trong dng thự hỡnh Anatase v Rutile ca TiO2 thỡ Anatase th hin tớnh hot ng mnh hn di s cú mt ca ỏnh sỏng mt tri (thng kờ theo cụng b ca cỏc nghiờn cu gn õy) [23, 24] Trong mt s nghiờn cu cho thy hn hp gia hai pha ny cng cho hot tớnh quang hoỏ mnh (cht xỳc tỏc quang vi cỏi tờn P25 c dựng nhiu cụng nghip hin cú 80% Anatase v 20% Rutile) TiO2 pha cú mu sc a dng c trng cho tng loi cht Ngoi ra, TiO2 c bit n nh vt liu bn nhit vi nhit sụi ca TiO2 l di 1855 o C v nhit núng chy l 1870 oC Xột v tớnh cht in, TiO2 l cht bỏn dn vựng cm rng v cú hng s in mụi cao Cu trỳc nng lng ca TiO2 gm vựng hoỏ tr ng trng thỏi 2p ca O2v vựng dn ng vi trng thỏi 3d ca Ti+ B rng vựng cm ca TiO2 dng Anatase l 3,2 eV v Rutile l 3.0 eV TiO2 thuc nhúm ụxit kim loi chuyn tip, khụng c i vi c th Chỳng khụng tan nc, khụng tỏc dng vi dung dch axớt loóng (tr HF), ớt tan kim TiO2 ch tỏc dng vi axớt v dung dch kim nhit cao Do tr v mt hoỏ hc nờn TiO2 c s dng nhiu lm cht n cho cao su, cht to mu cho cht v sn V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc I.2.2 Tớnh cht quang xỳc tỏc Quang xỳc tỏc l quỏ trỡnh phn ng ụxy hoỏ kh ca cỏc gc ụxy hoỏ hỡnh thnh trờn b mt vt liu xỳc tỏc c chiu ỏnh sỏng thớch hp Nú c tin hnh pha lng v pha khớ gm cú sỏu giai on sau: Khuych tỏn cỏc cht khớ t pha lng hoc pha khớ n b mt xỳc tỏc Hp ph cỏc cht tham gia phn ng lờn b mt cht xỳc tỏc Khi chiu ỏnh sỏng cú bc súng thớch hp s to cỏc gc ụxy húa trờn b mt cht xỳc tỏc nh nng lng photon ỏnh sỏng Phn ng gia cỏc cht b hp ph vi vi cỏc gc ụxy húa Gii hp ph cỏc sn phm Khuych tỏn cỏc sn phm vo pha khớ hoc pha lng Nh vy, bỏn dn hp th c mt photon ỏnh sỏng cú nng lng bng hoc ln hn b rng vựng cm ca nú thỡ s phỏt sinh cp in t - l trng Cỏc in t chuyn lờn vựng dn, cỏc l trng xut hin vựng hoỏ tr in t v l trng dch chuyn v phớa b mt tham gia phn ng ụxy húa kh Cỏc phõn t ca cỏc cht tham gia phn ng ụxy húa kh trờn b mt xỳc tỏc chia lm loi: cỏc phõn t cú kh nng nhn in t A (acceptor) v cỏc phõn t cú kh nng cho in t D (donor) Khi ú cỏc in t vựng dn s chuyn n ni cú cỏc phõn t cú kh nng nhn in t v quỏ trỡnh kh xy Cỏc l trng vựng hoỏ tr s chuyn n ni cú cỏc phõn t cú kh nng cho in t v quỏ trỡnh ụxy hoỏ s xy ra: SC + h > e- + h+ (1) SC(e) + A(ads) > A- (ads) + SC (2) SC(h+) (3) + D(ads) > D+ (ads) + SC vi SC l xỳc tỏc bỏn dn Phn ng ụxy hoỏ kh s to nờn cỏc gc ụxy hoỏ cú hot tớnh cao v chỳng s tham gia quỏ trỡnh ụxy hoỏ sau ny Nu khụng tn ti cỏc cht tham gia phn ng ụxy hoỏ kh trờn b mt thỡ cp in t-l trng s tỏi hp sau vi nano giõy V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Kt hp vi vic kho sỏt mu bt tng t nh trng hp TiO2 chỳng tụi nhn thy cng ca cỏc vch gim v rng ca cỏc vch tng pha thờm Fe Kớch thc ht tinh th c o t ph ỏp dng cụng thc Scherrer: D= 0,89l b hkl cos q Trong ú: = 1,5406 Ao (dựng bc x Cu K) hkl l bỏn rng ca vch nhiu x i vi mu bt TiO2 ti vch ph 48o (mt 200), hkl = 0,6o (o trc tip trờn ph nhiu x): D1 = 0,89 x1,5406 ằ 20nm 0,6p x cos(47.99 / 2) 180 Tng t ta cng tớnh c kớch thc ht ca mu bt TiO2 pha thờm Fe 10% ti vch ph 48o (mt 200), hkl = 0.8o (o trc tip trờn ph nhiu x): D1 = 0,89 x1,5406 ằ 15nm 0.8p x cos(47.99 / 2) 180 Qua õy chỳng tụi nhn thy kớch thc ht trờn mng TiO2 nh i a thờm Fe vo mng tinh th, tng ng vi bỏn rng ti vch ph 48o tng lờn nh hỡnh IV.5 Hin tng ny tm c gii thớch nh sau: pha thờm Fe di dng Fe2O3 cỏc ht TiO2 mng b ngn cỏch bi Fe2O3 lm hn ch s ln lờn ca cỏc ht TiO2 IV.1.3 Kt qu phõn tớch hỡnh thỏi b mt mng bng hin vi in t quột Hỡnh thỏi b mt v kớch thc ht trờn cỏc mng ch to ó c chỳng tụi ỏnh giỏ trờn h kớnh hin vi in t quột FEI Quanta 200 Hỡnh IV.6 trang bờn l kt qu o hỡnh thỏi b mt ca cỏc mu thy nhit 90 oC cỏc mụi trng khỏc Ch yu chỳng tụi la chn tin hnh thy nhit mụi trng axớt nhm to ht hỡnh cu u th v din tớch b mt V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Hỡnh IV.6 Mng TiO2 c NTP ti 90 oC mụi trng trung tớnh (trỏi), axớt (phi) Hỡnh IV.7 Mng TiO2 c NTP mụi trng axớt 120 oC (trỏi), 90 oC (phi) Hỡnh IV.8 Mng TiO2 c NTP ti 120 oC mụi trng axớt ging nhau, thu tinh (trỏi), Si (phi) V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Hỡnh IV.9 Mng TiO2 pha thờm Fe 5%, NTP 120 oC, mụi trng axớt, Si T cỏc kt qu thu c chỳng tụi nhn thy: ỹ Phõn b khụng gian, phõn b kớch thc ht ca cỏc mng nung cỏc nhit khỏc l khỏ u, ht cú dng hỡnh cu, mng khụng b rn nt ỹ Kớch thc ht cú chiu hng gim dn tng nhit NTP (xem hỡnh IV.7), v kớch thc ht gim khụng ỏng k tng nhit NTP lờn ti 160 oC NTP nhit di 100 oC cho c ht khỏ ln, trờn 500 nm nh biu din trờn hỡnh IV.6 ỹ Trong cựng mt iu kin thc nghim thỡ c ht trờn cỏc (thu tinh, thu tinh ph Ti, silic) khụng cho thy s khỏc ỹ Kớch thc ht trờn mng TiO2 cú chiu hng tng lờn chỳng tụi tng nhit nung ỹ Kớch thc ht trờn mng nh i pha thờm Fe, ging vi kt qu phõn tớch bng nhiu x tia X Kớch thc ht trờn hỡnh IV.9 nh hn kớch thc ht trờn cỏc hỡnh IV.7, IV.8 l minh chng cho iu ny V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc IV.1.4 Kt qu o ph tỏn x Raman Nh chỳng ta ó bit, TiO2 tn ti ba dng pha chớnh l Anatase, Rutile v Brookite Pha Anatase cú sỏu mode Raman hot ng l: A1g (515 cm-1), B1g (400 v 519 cm-1), Eg (144,197 v 640 cm-1) Pha Rutile cú bn mode Raman hot ng l: A1g (612 cm-1), B1g (143 cm-1), B2g (826 cm-1), Eg (447 cm-1) C hai pha ny u cú cu trỳc tinh th dng Tetragonal, ú Brookite cú cu trỳc dng orthorhombic v cú 36 mode Raman hot ng Cỏc mu mng v mu bt TiO2 c o trờn h Hin vi Raman hóng Renishaw Vin Vt lý k thut Trng H Bỏch Khoa H Ni Ngun laze s dng cú bc súng = 633 nm v cụng sut laser l 7mW di t 100 ữ 1000 cm-1 Hỡnh IV.10 l kt qu o ph tỏn x Raman ca mu mng TiO2 trờn kớnh trc v sau nung T hỡnh v chỳng ta cú th nhn thy mt pớc khong 150 cm-1 quy cho mode Eg, pớc khong 393 cm-1 quy cho mode B1g, pớc 512 cm-1 quy l mode dao ng ca A1g Cũn mode dao ng 514 cm-1 quy cho B1g v mode dao ng 636 cm-1 quy cho dao ng ca Eg Nhng kt qu ny phự hp vi cỏc nghiờn cu ca cỏc tỏc gi nghiờn cu i vi bt Anatase v n tinh th Anatase [32] Nh vy, mng to thnh trờn kớnh nung 500 oC pha to thnh l pha Anatase 40000 35000 Eg (150 cm-1) B1g (393 cm-1) A1g (512 cm-1) B1g (514 cm-1) Eg (636 cm-1) Eg 30000 Intensity Cng (au) 25000 20000 A 1g 15000 B 1g 10000 B 1g Eg 500 C 90 C 5000 200 400 600 800 1000 -1 -1 dch Raman Raman shift, cm (cm ) Hỡnh IV.10 Ph tỏn x Raman ca mng TiO2 trc nung (ch sy) v sau nung V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Bng IV.1 Cỏc mode Raman ca pha Anatase TT Thc nghim, cm-1 150 Pha Oxit tinh khit cm-1 144 197 400 515 519 640 393 512 514 636 Anatase Dao ng Eg Eg B1g A1g B1g Eg So sỏnh kt qu o ca mu mng trc v sau nung ta nhn thy, c hai mu u cú mt pớc vi cng ln v bn pớc cũn li vi cng thp Hỡnh IV.11 l kt qu o ph tỏn x Raman ca mu bt vi iu kin thc nghim tng t mu mng Kt qu th hin trờn hỡnh cng cho thy cỏc pớc c trng ca pha Anatase 120000 Eg (150 cm-1) B1g (393 cm-1) A1g (512 cm-1) B1g (514 cm-1) Eg (636 cm-1) Eg 100000 Intensity, au Cng 80000 (au) 60000 40000 A1g Eg B1g Eg B1g P25 TiO2-600 C 20000 TiO2-90 C 200 400 600 800 -1 -1 dch Raman shift, cm Raman (cm ) 1000 Hỡnh IV.11 Ph tỏn x Raman mu bt Hỡnh IV.12 l kt qu o ph tỏn x Raman ca mu mng trờn cỏc khỏc Kt qu th hin trờn hỡnh cng cho thy cỏc pớc c trng ca pha Anatase Ngoi ra, kt qu o cũn cho thy, i vi mu mng to thnh trờn Si, chỳng ta cũn thy vch ph c trng ca Si 520 cm-1 V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc 50000 Eg (150 cm-1) B1g (393 cm-1) A1g, B1g (gn Si) Si (520 cm-1) Eg (636 cm-1) Eg 45000 40000 Intensity Cng 35000 (au) 30000 Si A 1g B 1g 25000 Eg 20000 TiO2/Si B 1g 15000 /glass TiO2/TiO thu tinh 10000 5000 200 400 600 800 -1 1000 shift, dch Raman Raman cm (cm ) -1 Hỡnh IV.12 Ph tỏn x Raman ca mng TiO2 trờn cỏc khỏc i vi mu mng pha thờm Fe vi cỏc nng khỏc t 5% n 40%, kt qu o cho ta thy vi cỏc mng pha thờm Fe mc nng ln (trờn 10%) cỏc pớc c trng nhn hn, b dch bc súng ti mode Eg, A1g , B1g v xut hin thờm mt s pớc Raman ti 609 cm-1 v 675 cm-1 th hin s cú mt ca Fe nh hỡnh IV.13 Eg 14000 Intensity Cng (au) 12000 A1g B1g B1g Eg 40%Fe 10000 Eg (150 cm-1) B1g (393 cm-1) A1g (512 cm-1) B1g (514 cm-1) Eg (636 cm-1) 20%Fe 8000 6000 10%Fe 4000 5%Fe 2000 0 200 400 600 800 dch Raman (cm-1) -1 1000 Raman shift,cm Hỡnh IV.13 Ph Raman ca mng TiO2 pha thờm Fe V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc IV.1.5 Kt qu o ph UV-VIS kho sỏt hp th ca sn phm mng to c trờn kớnh, chỳng tụi ó tin hnh o ph UV-Vis vi di bc súng khong 200 900 nm v thu c kt qu nh sau: M Đ ế thuỷ tinh M Đ ế thuỷ tinh p hủ m ng T iO M Đ ế thuỷ tinh p hủ m ng T iO -Fe 20% Độ hấp thụ (ABS) M7 M5 M0 20 00 00 500 60 00 00 900 B ước sóng (nm ) Hỡnh IV.12 hp th ca mng trờn kớnh Kt qu cho thy: ỹ Cỏc mu mng TiO2 cú hp th cao hn so vi kớnh thng vựng bc súng t ngoi ỹ Tng nhit nung t 400 oC > 600 oC truyn qua ca mng tt hn ỹ Trong cựng mt nhit nung, cỏc mu mng TiO2 pha thờm Fe cho hp th ln hn cỏc mu khụng pha thờm vựng bc súng kh kin Nh vy mng TiO2 dng Anatase th hin c tớnh hp th tia t ngoi, v pha thờm Fe mng cũn th hin s hp th sang c vựng ỏnh sỏng nhỡn thy Hin tng ny cú th hiu c nng lng vựng cm ca tinh th TiO2 dng Anatase l 3,2 eV (tng ng vi photon bc súng 388 nm) v nng lng vựng cm ca tinh th Fe2O3 l 2,2 eV (tng ng vi photon bc súng 565 nm) V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc IV.2 ỏnh giỏ kh nng a nc v k nc ca cỏc mu mng Chỳng tụi ó tin hnh nh nc trờn cỏc mng ó ch to, kt hp vi chiu tia t ngoi (dựng ốn t ngoi), chiu ỏnh sỏng thng (dựng ốn si t) v t ti kho sỏt tớnh a nc ca chỳng Gúc tip xỳc cỏc git nc cỏc ch chiu v thi gian khỏc nh sau: Bng VI.1 Gúc tip xỳc (n v: ) ca git nc trờn cỏc v mng khỏc Mu Ph mng TiO2 30 25 25 24 8 21 4 20 4 23 20 4 20 4 18 18 20 Thi gian Sau phỳt Ph mng TiO2 gc thu tinh pha thờm 20 % Fe chiu UV Sau 20 phỳt chiu UV Sau 30 phỳt chiu UV Sau 60 phỳt chiu UV Sau 20 phỳt chiu ốn si t + UV Sau 30 phỳt chiu ốn si t + UV Sau 60 phỳt chiu ốn si t + UV ti 24 gi sau chiu V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Mu Ph mng TiO2 40 36 36 35 10 10 32 6 30 4 33 30 28 22 25 27 Thi gian Sau phỳt Ph mng TiO2 gc Silic pha thờm 20% Fe chiu UV Sau 20 phỳt chiu UV Sau 30 phỳt chiu UV Sau 60 phỳt chiu UV Sau 20 phỳt chiu ốn si t + UV Sau 30 phỳt chiu ốn si t + UV Sau 60 phỳt chiu ốn si t + UV ti 24 gi sau chiu Bờn trờn chỳng tụi ch a kt qu mu pha Fe 20% lm so sỏnh vi mu mng TiO2 thụng thng V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Nhn xột vi kớnh: - Gúc tip xỳc ban u ca git nc trờn kớnh thng khong 30o, chiu UV gúc tip xỳc hu nh khụng gim my phỳt u, sau ú gim dn v t gúc tip xỳc khong 20o sau 60 phỳt chiu UV - Gúc tip xỳc ban u ca git nc trờn kớnh ph TiO2 v TiO2 Fe 20% khong 25o, chiu UV gúc tip xỳc gim khỏ nhanh my phỳt u v t gúc tip xỳc khong 4o sau 30 phỳt Tip tc chiu UV gúc tip xỳc cú v nh khụng i v chuyn sang giai on bay hi nc thụng thng Trong trng hp chiu kt hp c ốn UV v ốn si t, gúc tip xỳc trờn mng TiO2 Fe 20% gim rt nhanh, sau khong 20 phỳt ó gim xung ch cũn 7o - Sau dng chiu sỏng khong 24 gi, git nc trờn kớnh thng thy hu nh khụng thay i, nhng trờn ph mng TiO2 v TiO2 Fe 20% git nc cú hin tng co li vi gúc tip xỳc tng ng l 18o v 20o Nhn xột vi Silic: - Gúc tip xỳc ban u ca git nc trờn silic thng khong 40o, chiu UV gúc tip xỳc hu nh khụng gim my phỳt u, sau ú gim dn v t gúc tip xỳc khong 30o sau 60 phỳt chiu UV - Gúc tip xỳc ban u ca git nc trờn kớnh ph TiO2 v TiO2 Fe 20% khong 36o, chiu UV gúc tip xỳc gim khỏ nhanh my phỳt u v t gúc tip xỳc khong 6o sau 30 phỳt Tip tc chiu UV gúc tip xỳc cú v nh khụng i v chuyn sang giai on bay hi nc thụng thng Trong trng hp chiu kt hp c ốn UV v ốn si t, gúc tip xỳc trờn mng TiO2 Fe 20% gim rt nhanh, sau khong 20 phỳt ó gim xung ch cũn 6o - Sau dng chiu sỏng khong 24 gi, git nc trờn silic thng thy hu nh khụng thay i, nhng trờn ph mng TiO2 v TiO2 Fe 20% git nc cú hin tng co li vi gúc tip xỳc tng ng l 25o v 27o V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc Kt qu cho thy: ỹ Git nc sau c nh xung thu tinh, thu tinh ph TiO2, thu tinh ph TiO2-Fe thỡ git nc loang rng nht trờn ph TiO2-Fe v loang kộm nht trờn thu tinh thng Hin tng ny xy tng t vi l silic ỹ Trong trng hp chiu tia t ngoi, gúc tip xỳc ca git nc trờn ph TiO2-Fe gim nhanh hn trờn ph TiO2 mt chỳt v trờn kớnh thng gim chm nht ỹ Trong trng hp chiu ốn si t, gúc tip xỳc ca git nc trờn ph TiO2-Fe gim nhanh hn so vi trờn ph TiO2 v thu tinh thng ỹ Sau dng chiu sỏng v ti cựng mt iu kin, gúc tip xỳc ca git nc trờn ph TiO2-Fe luụn trỡ nh hn so vi ph TiO2 Nhn xột chung: Nh vy, mng TiO2 v mng TiO2-Fe trờn cỏc th hin rt a nc v a nc tng t chiu tia t ngoi Mng TiO2-Fe cho thy a nc tt hn mng TiO2 trng hp chiu ỏnh sỏng thng V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc KT LUN T kt qu thu c, chỳng tụi rỳt mt s kt lun sau: ó ch to thnh cụng mng mng TiO2 v mng pha thờm Fe-TiO2 cú kớch thc ht c nano Cu trỳc v c tớnh ca chỳng ó c kho sỏt bng cỏc phng phỏp phõn tớch cu trỳc v hỡnh thỏi hc nh ph nhiu x tia X, ph tỏn x Raman, hin vi in t quột, phõn tớch nhit v ph hp th t ngoi kh kin Khi nung 400 oC 600 oC cỏc mng thu c u cú cu trỳc Anatase theo nh hng thc nghim, vi cỏc ht nh cu to lờn mng l cỏc ht hỡnh cu u th v din tớch b mt Vic pha thờm Fe ó giỳp cho kớch thc ca ht trờn mng nh i, lm tng din tớch tip xỳc trờn b mt mng Qua kim tra c tớnh a nc, k nc ca mng ó ch to, chỳng tụi nhn thy chỳng cú c tớnh a nc rừ rt c bit mng TiO2 pha thờm Fe cũn th hin a nc vựng ỏnh sỏng kh kin Trong iu kin thi gian cú hn chỳng tụi cha lm c thớ nghim pha thờm cỏc kim loi khỏc nh Al, Ag, Cr, v kho sỏt mc bỏm chc ca mng trờn Tuy nhiờn, kt qu ny cho thy hng nghiờn cu v ph mng nano TiO2 pha thờm kim loi l hng i y trin vng to nhng mng nano cú tớnh a nc iu kin chiu sỏng bỡnh thng (ỏnh sỏng mt tri) Vic phỏt trin to mng ny trờn loi khỏc nh gch men, inox, m kh nng ng dng rt rng rói vo cuc sng iu kin khớ hu núng m, nng nhiu nc ta V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc TI LIU THAM KHO [1] T.T Duc, N.T.M Huong, V.T Bich, N.D Dung, N.T Tinh and T.X Hoai The Effect of SiO2 Addition in Hydrophilicity of TiO2 Nanostructure Thin Films Physics and Engineering of New Materials, vol 127, (2009) pp.185 [2] V.T.T Thuy, N.T.M Huong, T.T Duc, N.N Trung, L.L Anh, V.T Son, N.T Binh and V.T Bich Structural Properties of Visible-Light Photocatalysis TiO2/CdS Nanocomposite Materials Publishing House for Science and Technology, (2008) 480-484 [3] T.T c, N.T.M Hng, N..Dng, V.T Bớch, N.T Tnh v N.N Long nh hng ca SiO2 v c ch t sch ca mng nanocomposite TiO2/SiO2 Tuyn bỏo cỏo ti Hi ngh Vt lý cht rn ton quc ln th V, Vng Tu, (2007) 751 [4] V.T.Bich, T.T Duc, N.N Trung, V.T.T Thuy, N.T Binh, N.T.M Huong, V.T Son Structure Properties of Nanocomposite SiO2/TiO2 Film Investigated by Raman and FTIR Spectroscopy Advanced in Natural Sciences, Vol 8, N3-4 (2007) 537546 [5] V.T Bich, T.T Duc, N.T Binh, N.T.M Huong, N.N Trung, V.T Son The Study on TiO2-SiO2 Self-Cleaning Nanocomposite Film for Environment Protection OPTOLASERMED 2007, Cape Coast, Ghana, Nov-2007 [6] V.T Bich, T.T Duc, N.T Tinh, T.B Ngoc, N.L Lam, V.T.M Hanh and T.X Hoai Visible Light Photocatalysis in Nitrogendoped Titanium Oxides for Environmental Applications Physics & Engineering in Evolution - Proc of 8th GVS on Phys And Eng., Erlangen, Germany, 3-8 April, 2005, Ed Do Tran Cat, Nguyen Chau, Vo Thach Son, (2006) 86-89 [7] V.T Bich, T.T Duc, N.L Lam, T.B Ngoc and N.T Tinh Nanometer-Sized Visible-Light TiO2-xNx Photocatalysis Proc of the 9th APPC, Hanoi, Vietnam, 2531 Oct 2004, Ed Nguyen Van Hieu, Phan Hong Khoi, Nguyen Xuan Phuc, The gioi Pub., (2005) pp 585 [8] V.T Bich, T.T Duc, N.T Tinh, T.B Ngoc, N.L Lam, V.T M Hanh and T.X Hoai Status of the Study on Titanium Oxide Photocatalysis for Environmental Protection in Vietnam World Conference on Physics and Sustainable Development, Durban, SA, Nov-2005 [9] T.T Duc, V.T Bich, D.K An, V.T.M Hanh, T.B Ngoc, N.L Lam, N.T Tinh, T.X Hoai Nghiờn cu ch to, tớnh cht cu trỳc, húa lý v ng dng mng ụxớt V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc titan nanụ tinh th cho lm sch mụi trng Proc of the 6th Nat Conf on Physics, H Ni, (2005) 146-149 [10] C Euvananont, C Junin, K Inpor, P Limthongkul, C Thanachayanont TiO2 optical coating layers for self-cleaning applications, Ceramics International 34, (2008) 10671071 [11] T.T Duc, N.T Hue, L.T.H Nam, D.K Anh, N.T Tinh, V.T Bich, N.L Lam, V.T Hanh, P.Q Thang, N.Q Trung, B.T Dung and T.X Hoai Status of the study on TiO2 photocatalysis for environmental protection in Vietnam, AIST-VAST workshop, Hanoi, Vietnam, Dec- 2004 [12] O Carp, C L Huisman, A Reller Photoinduced reactivity of titanium dioxide Progress in Solid State Chemistry 32, (2004), 33177 [13] U Diebold Department of Physics, Tulane University, New Orleans, LA 70118, USA The surface science of titanium dioxide Surface Science Reports 48, (2004), 53-229 [14] Hong Nhõm Húa hc vụ c, Nh xut bn Giỏo dc [15] K Hashimoto, H Irie and A Fujishima TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects Japanese Journal of Applied Physics Vol 44, No 12, (2005) 82698285 [16] T.T Duc, N.T Tinh, N.L Lam, V.T.M Hanh and T.X Hoai Application of the nanostructured TiO2 photocatalyst to create self-cleaning building materials The Ninth Asia Pacific Physics Conference (9th APPC) Hanoi, Vietnam, Oct-2004 [17] Q.H Zhang, L Gao and J.K Guo Preparation and characterization of nanosized TiO2 powders from aqueous TiCl4 solution NanoStructured Materials, Vol 11, No 8, (1999), 12931300 [18] Y Volokitin, J Sinzig, L.J de Jongh, G Schmid, M.N Vargaftik and I I Moiseev Quantum-size effects in the thermodynamic properties of metallic nanoparticles Nature, (1996), 621-623 [19] Y Bessekhouad, D Robert, J.V Weber Synthesis of photocatalytic TiO2 nanoparticles: optimization of the preparation conditions Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry 157, (2000), 4753 [20] Trang web v din n Cụng ngh hoỏ hc www.chemvn.net v din n Vt lý Vit Nam www.vatlyvietnam.org V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 Lun Thc s khoa hc Mc lc [21] K Byrappa, M Yoshimura Handbook of Hydrothermal Technology, WILLIAM ANDREW PUBLISHING, LLC Norwich, New York, U.S.A, Sep- 2001 [22] V.A Tuan, N.Q Tuan, B.T.H Linh, T.M Cuong, D.P Tuyet, T.T.K Hoa Synthesis and characterization of TiO2 photocatalyst doped by transition metal ions (Fe3+, Cr3+ and V3+) IOPscience, Jun-2010 [23] A Fujishima, Tata N Rao, Donald A Tryk Titanium dioxide photocatalysis Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 1, (2000), 121 [24] J Yu, Y Su, B Cheng, M Zhou Effects of pH on the microstructures and photocatalytic activity of mesoporous nanocrystalline titania powders prepared via hydrothermal method Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 258, (2006) 104112 [25] Trang web www.toto.co.jp [27] D.V Bavykin, V.N Parmon, A.A Lapkin and F.C Walsh The effect of hydrothermal conditions on the mesoporous structure of TiO2 nanotubes Journal of Materials Chemistry, 14, 2004 [28] J.G Yu, H.Y Tang, L.Z Zhang Journal of Materials Chemistry, 12, 2002 [29] B Smarsly, D Grosso, T Brezesinski, N Pinna, C Boissiere, M Antonietti, C Sanchez Chemistry of Materials, 16, 2004 [30] L Zhang, Y.F Zhu, Y He, W Li, H.B Sun Applied Catalysis B: Environmental, 40, 2003 [31] E.L Crepaldi, G.J Soler-Illia, D Grosso, F Cagnol, F.Ribot, C Sanchez, Journal of the American Chemical Society, 125, 2003 [32] D Grosso, G.J Soler-Illia, E.L Crepaldi, F Cagnol, C Sinturel, A Bourgeois, A.B Bruneau, H Amenitsch, P AAlbouy, C Sanchez Chemistry of Materials, 15, 2003 [33] N.P.T Duong, P.D Hai, T.V Cuong, E.J Kim, S Kim, E.W Shin A simple hydrothermal preparation of TiO2 nanomaterials using concentrated hydrochloric acid Journal of Crystal Growth 312, (2009), 7985 V Vn Cụng Cao hc Vt lý 2008 - 2010 ... SEM cu trỳc vt liu nano TiO2 [26] a Vt liu ht TiO2 ban u b Cu trỳc TiO2 nhit thy phõn bng dung dch NaOH 5M c Cu trỳc TiO2 nhit thy phõn bng dung dch NaOH 10M d Cu trỳc TiO2 nhit thy phõn sau ... Lun Thc s khoa hc Mc lc CHNG I TNG QUAN V VT LIU TiO2 I.1 Cu trỳc tinh th ca TiO2 TiO2 l ụxit kim loi chuyn tip, tn ti t nhiờn di dng khoỏng vt TiO2 kt tinh dng tinh th khỏc l pha Anatase, Rutile... 20% Rutile) TiO2 pha cú mu sc a dng c trng cho tng loi cht Ngoi ra, TiO2 c bit n nh vt liu bn nhit vi nhit sụi ca TiO2 l di 1855 o C v nhit núng chy l 1870 oC Xột v tớnh cht in, TiO2 l cht bỏn