Nghiên cứu một số phương pháp phát hiện chuyển động trong video và ứng dụng

Header Page of 27 Đại học Quốc Gia Hà Nội Trường Đại học Công nghệ Lê Duy Đảm KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG NANO TiO2/SiO2 ĐƢỢC CHẾ TẠO THEO PHƢƠNG PHÁP SOL-GEL TRÊN NỀN GẠCH MEN Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Mậu Chiến Hà Nội - 2009 Mục lục Mục lục i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv Footer Page of 27 i Header Page of 27 Danh mục bảng v Danh mục hình vẽ, đồ thị vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu TiO2 khả ứng dụng 1.1.1 Cấu trúc vật liệu TiO2 1.1.2 Nguyên lý quang xúc tác 1.1.3 Cơ chế quang xúc tác TiO2 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả quang xúc tác TiO2 1.1.5 Chất quang xúc tác TiO2 cải tiến 1.1.6 Khả ứng dụng TiO2 chế tạo vật liệu tự làm 1.2 Đại cƣơng gốm sứ 13 1.2.1 Nguyên liệu, phối liệu 13 1.2.2 Tạo hình 13 1.2.3 Gia công sản phẩm 14 1.3 Lý thuyết trình sol-gel chế tạo màng mỏng nano Error! Bookmark not defined 1.3.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined 1.3.2 Phân loại trình sol-gel Error! Bookmark not defined 1.3.3 Quá trình sol-gel từ alkoxide Error! Bookmark not defined 1.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình thuỷ phân ngưng tụ Error! Bookmark not defined 1.3.5 Ưu-khuyết điểm phương pháp sol-gel.Error! Bookmark not defined 1.3.6 Một số ứng dụng phương pháp sol-gel Error! Bookmark not defined 1.3.7 Các phương pháp tạo màng từ dung dịch Error! Bookmark not defined CHƢƠNG - THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất dụng cụ sử dụng trình thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu Error! Bookmark not defined 2.2.1 Chế tạo hệ dung dịch TiO2/SiO2: Error! Bookmark not defined 2.2.2 Bảo quản hệ dung dịch TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tạo màng mỏng nano TiO2 Error! Bookmark not defined 2.3 Nghiên cứu đặc trƣng vật liệu chế tạo.Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phân tích nhiệt vi sai (DTA) Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 ii Header Page of 27 2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Error! Bookmark not defined 2.3.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error! Bookmark not defined 2.3.6 Phương pháp xác định góc thấm ướt Error! Bookmark not defined 2.3.7 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT- IR).Error! Bookmark not defined 2.3.8 Phương pháp đo phổ truyền qua (UV-Vis) Error! Bookmark not defined 2.3.9 Phương pháp phổ tán xạ Raman Error! Bookmark not defined 2.3.10 Kiểm tra mức độ diệt khuẩn Error! Bookmark not defined 2.3.11 Phương pháp đánh giá khả phân hủy hợp chất hữu Error! Bookmark not defined CHƢƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Nghiên cứu chế tạo màng quang xúc TiO2/SiO2 vùng ánh sáng tử ngoại gạch men Error! Bookmark not defined 3.1.1 Phổ UV-Vis dung dịch TiO2/SiO2.Error! Bookmark not defined 3.1.2 Khảo sát ảnh TEM dung dịch TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 3.1.3 Khảo sát đặc trưng cấu trúc bột TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 3.1.4 Khảo sát đặc trưng cấu trúc màng nano TiO2/SiO2.Error! Bookmark not defined 3.1.5 Đặc trưng cấu trúc bề mặt màng nano TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 3.1.6 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác màng nano TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 3.2 Nghiên cứu chế tạo màng quang xúc tác N-TiO2/SiO2 vùng ánh sáng khả kiến gạch men Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phổ UV-Vis hệ dung dịch N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined 3.2.2 Khảo sát đặc trưng cấu trúc bột N-TiO2/SiO2Error! Bookmark not defined 3.2.3 Khảo sát đặc trưng cấu trúc màng N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 iii Header Page of 27 3.2.4 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác màng N-TiO2/SiO2 vùng ánh sáng khả kiến Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 Footer Page of 27 iv Header Page of 27 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt A Phân tử có khả nhận electron (Acceptor) AFM Atomic Force Microscope - Kính hiển vi lực nguyên tử CB Vùng dẫn (Conduction Band) Cặp e h+ Cặp điện tử-lỗ trống (electron-hole) D Phân tử có khả cho electron (Donor) DTA Differential thermal analysis - Phân tích nhiệt vi sai eV Eclectron volt ‟ Đơn vị đo điện IR MB TEM UV-Vis Infrared spectroscopy - Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc Methylen Blue Transmission Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử truyền qua Ultraviolet-Visible spectroscopy - Phổ hấp thu ánh sáng vật liệu vùng tử ngoại khả kiến Vlqxt Vật liệu quang xúc tác VB Vùng hóa trị (Valence Band) SEM Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử quét XRD X-ray diffraction - Phương pháp đo nhiễu xạ tia X o Celsius degree ‟ Độ bách phân C Footer Page of 27 v Header Page of 27 Danh mục bảng Bảng 1.1: Tốc độ phản ứng thuỷ phân phụ thuộc vào độ âm điện , số phối vị cực đại N nguyên tử kim loại Error! Bookmark not defined Bảng 1.2: Tốc độ phản ứng thuỷ phân phụ thuộc vào nhóm alkyl [7] Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Thành phần hệ dung dịch với thành phần SiO2 khác Error! Bookmark not defined Bảng 3.2: Độ rộng vùng cấm hạt TiO2/SiO2 dung dịch Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 : Kích thƣớc hạt tinh thể tính theo phƣơng trình Scherrer Error! Bookmark not defined Bảng:3.5 Thành phần hệ dung dịch với thành phần %N khác Error! Bookmark not defined Bảng 3.6: Kích thƣớc hạt tinh thể tính theo phƣơng trình Scherrer Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 vi Header Page of 27 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Cấu trúc ô mạng tinh thể TiO2 rutile anatase Hình 1.2: Cấu trúc vùng lƣợng chất bán dẫn hoạt động chất bán dẫn đƣợc kích thích quang hóa Hình 1.3: Q trình quang hố với kích hoạt phân tử TiO2 Hình 1.4: Bề rộng khe lƣợng số chất bán dẫn Hình 1.5: Phổ lƣợng mặt trời Hình 1.6: Những lĩnh vực ứng dụng TiO2 Hình 1.7: Cơ chế chuyển từ tính kỵ nƣớc sang tính ƣa nƣớc màng TiO2 đƣợc chiếu sáng 10 Hình 1.8: Bề mặt kỵ nƣớc TiO2 11 Hình 1.9: Sự phân huỷ chất hữu làm lộ nhóm –OH 11 Hình 1.10: Quá trình hấp phụ vật lý phân tử nƣớc 11 Hình 1.11: Nƣớc khuếch tán vào bề mặt vật liệu 12 Hình 1.12: Các nhóm sản phẩm phƣơng pháp sol-gel Error! Bookmark not defined Hình 1.13: Quá trình phủ nhúng Error! Bookmark not defined Hình 1.14: Phƣơng pháp phủ quay (spin coating) Error! Bookmark not defined Hình 1.15: Các giai đoạn phƣơng pháp phủ quay Error! Bookmark not defined Hình 1.16: Hệ thống phủ chảy dòng Error! Bookmark not defined Hình 1.17: Thiết bị phun cầm tay Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Sơ đồ điều chế hệ dung dịch TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Sơ đồ điều chế hệ dung dịch TiO2/SiO2 pha tạp N Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Hệ phủ quay Spin Delta 6RC Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Quy trình tạo màng TiO2 sản phẩm gạch men Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Hệ phủ phun Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Thiết bị phun cầm tay Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Lò nung Carbolite Model: ELF 11/14B Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Quang phổ liên tục Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Phổ huỳnh quang đèn compact Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 vii Header Page of 27 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai Error! Bookmark not defined Hình 2.11: Máy phân tích nhiệt vi sai (DTA) Error! Bookmark not defined Hình 2.12 : Điều kiện quan sát thấy nhiễu xạ tia X từ nguyên tử nằm mặt phẳng phản xạ Error! Bookmark not defined Hình 2.13: Máy đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined Hình 2.15: Kính hiển vi điện tử truyền qua (SEM) Model: Jeol 6600 Error! Bookmark not defined Hình 2.16: Ảnh đầu dò với bề mặt mẫu kính hiển vi lực nguyên tử Error! Bookmark not defined Hình 2.17: Kính hiển vi lực ngun tử (AFM) Model Electronica S.L Error! Bookmark not defined Hình 2.18: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error! Bookmark not defined Hình 2.19: Máy đo góc thấm ƣớt Model OCA-20 Error! Bookmark not defined Hình 2.20: Máy đo phổ hấp thu hồng ngoại (FT-IR) Model TensorTM 37 Error! Bookmark not defined Hình 2.21: Máy đo phổ truyền qua UV-Vis Model Cary100 Conc Error! Bookmark not defined Hình 2.22: Đƣờng biểu diễn xác định lƣợng vùng cấm (Eg) Error! Bookmark not defined Hinh 2.23: Máy đo phổ Raman Model : LABRAM 300 Error! Bookmark not defined Hình 2.24: Tủ sấy dụng cụ thí nghiệm Sanyo Model MOV-112 Error! Bookmark not defined Hình 2.25: Nồi hấp tiệt trùng Model Hiclave-HV-100 Error! Bookmark not defined Hình 2.26: Tủ cấy vi sinh Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Phổ truyền qua dung dịch TiO2/SiO2 với tỷ lệ khác SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Ảnh (TEM) dung dịch TiO2/SiO2 với 15%.Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Phổ FT-IR dạng bột SiO2/TiO2 khác Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 viii Header Page of 27 Hình 3.4: Ảnh nhiễu xạ XRD mẫu bột TiO2/SiO2 với mẫu 5%-30% SiO2 đƣợc nung 10000C thời gian 2h Error! Bookmark not defined Hình 3.5: Ảnh nhiễu xạ XRD mẫu bột LNT - III (15% mol SiO2) nung nhiệt độ 5000C khoảng thời gian khác Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Ảnh nhiễu xạ XRD mẫu bột LNT-III (15% mol SiO2) nung nhiệt độ khác từ 5000C - 11000C thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Giản đồ DTA/TG mẫu LNT-III (15% SiO2) Error! Bookmark not defined Hình 3.8: Phổ truyền qua loại màng LNT tạo thành lam kính Error! Bookmark not defined Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ XRD màng LNT-III (15% SiO2) đế thủy tinh nung 5000C Error! Bookmark not defined Hình 3.10: Ảnh nhiễu xạ XRD màng LNT-III (15% SiO2) đế gạch men Error! Bookmark not defined Hình 3.11: Ảnh SEM bề mặt màng TiO2/SiO2 ( 15%mol SiO2) Error! Bookmark not defined Hình 3.12: Ảnh chụp mẫu gạch men đƣợc phủ màng TiO2/SiO2 (15%SiO2) theo phƣơng pháp phun phủ Error! Bookmark not defined Hình 3.13: Ảnh SEM màng TiO2/SiO2 (15%SiO2) đƣợc phủ đế ceramic phƣơng pháp phun Error! Bookmark not defined Hình 3.14: Ảnh AFM màng LNT – III, (a) ảnh 2D, (b) Ảnh 3D Error! Bookmark not defined Hình 3.15: Ảnh chụp góc tiếp xúc giọt nƣớc bề mặt lam kính Error! Bookmark not defined Hình 3.16: Khả chống tạo sƣơng mờ màng nano TiO2/SiO2 (15% SiO2) Error! Bookmark not defined Hình 3.17: Khả làm màu methylene blue (MB) lam kính Error! Bookmark not defined Hình 3.18: Sự màu dung dịch MB gạch Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Sự suy giảm nồng độ dung dịch MB theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.20: Hình ảnh khuẩn lạc đĩa petri Error! Bookmark not defined Hình 3.21: Hệ dung dịch N-TiO2/SiO2 sau chế tạo xong Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 ix Header Page 10 of 27 Hình 3.22 Phổ truyền qua hệ dung dịch N-SiO2/TiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.23: Giản đồ DTA/TG mẫu N-TiO2/SiO2 với 40%N Error! Bookmark not defined Hình 3.24: Phổ tán xạ Raman mẫu bột N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.25: Ảnh nhiễu xạ XRD mẫu bột N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.26: Ảnh (TEM) mẫu N-TiO2/SiO2 40%N Error! Bookmark not defined Hình 3.27: Phổ hấp thu hồng ngoại mẫu bột N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.28: Phổ truyền qua màng N-SiO2/TiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.29: Đƣờng biểu diễn (dh)1/2 theo f(h) màng N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.30: Quá trình pha tạp N vào mạng tinh thể anatase TiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.31: Ảnh (SEM) bề mặt màng N-TiO2/SiO2 ( 40% N) Error! Bookmark not defined Hình 3.32: Ảnh (AFM) bề mặt màng N-TiO2/SiO2 Error! Bookmark not defined Hình 3.33: Ảnh chụp góc tiếp xúc giọt nƣớc bề mặt lam kính Error! Bookmark not defined Hình 3.34: Độ hấp thụ (ABS) dung dịch MB giảm dần theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.35: Sự suy giảm nồng độ dung dịch MB theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.36: Sự màu dung dịch MB gạch theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.37: Sự màu MB lam kính theo thời gian .Error! Bookmark not defined Hình 3.38: Hình ảnh khuẩn lạc đĩa petri Error! Bookmark not defined Footer Page 10 of 27 x Header Page 18 of 27 Trang: TiO2 + hν → h+ + e‟ (1.5) Khả chuyển e‟ lỗ trống h+ từ chất bán dẫn đến chất bẩn bám bề mặt phụ thuộc vào vị trí dải lượng chất bán dẫn so với oxy hoá-khử chất bị hút bám Thế oxy hoá-khử chất nhận phải thấp mức lượng thấp vùng dẫn trạng thái cân nhiệt động Trong đó, oxy hố-khử chất cho phải cao mức lượng cao vùng hoá trị Hình 1.4 trình bày vị trí dải lượng số chất bán dẫn thường gặp Quan sát Hình 1.4 ta giải thích pha anatase lại chất xúc tác quang mạnh Anatase chiếu sáng với photon có lượng lớn lượng Eg (bước sóng λ < 388 nm) tạo cặp e-lỗ trống linh động Như ta biết khí có nhiều nước, oxy; mà oxy hoá-khử nước oxy thoả mãn yêu cầu nên nước đóng vai trò chất cho (1.3) khí oxy đóng vai trò chất nhận (1.4) để tạo chất có tính oxy hố-khử mạnh („OH, „O2‟) oxy hố hầu hết chất hữu bị hút bám lên bề mặt vật liệu Hình 1.4: Bề rộng khe lượng số chất bán dẫn Các yếu tố ảnh hưởng đến khả quang xúc tác TiO2 Hai yếu tố định tính quang xúc tác màng TiO2 diện tích bề mặt hiệu dụng bậc tinh thể a Diện tích bề mặt hiệu dụng MỞ18ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 19 of 27 Trang: Bề mặt màng nơi cấu trúc tinh thể dang dở nơi sai hỏng mạng Tính quang xúc tác màng TiO2 mạnh hay yếu, phụ thuộc vào hai diễn tiến xảy đồng thời bề mặt liên quan đến hoạt động cặp điện tử - lỗ trống: diễn tiến tích cực phản ứng ôxy hóa khử diễn tiến tiêu cực tái hợp Do đó, màng TiO2 có tính quang xúc tác mạnh đáng kể có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn Diện tích bề mặt hiệu dụng màng TiO2 xác định thông qua thiết bị AFM đo độ gồ ghề quân phương (Rrms) mẫu b Bậc tinh thể Bậc tinh thể khái niệm độ xa trật tự xắp xếp tinh thể vật lý chất rắn Màng TiO2 cấu trúc vơ định hình có trật tự xắp xếp tinh thể gần nên có bậc tinh thể thấp khơng đáng kể Màng TiO2 đa tinh thể có trật tự xắp xếp tinh thể xa nên có bậc tinh thể cao đáng kể Mức độ cao thấp bậc tinh thể phụ thuộc vào số họ mặt mạng tức số peak phổ XRD hình thành q trình tạo màng Phổ màng vơ định hình khơng có peak màng vơ định hình có bậc tinh thể thấp khơng đáng kể Ta đánh giá mức độ cao thấp bậc tinh thể dựa vào kích thước hạt (grain) Ứng với bước sóng đơn sắc tia X số đo góc 2 theo cơng thức Scherrer, kích thước trung bình hạt tỉ lệ nghịch với độ bán rộng peak; nghĩa họ mặt mạng (2 định), peak nhọn kích thước trung bình hạt lớn, bậc tinh thể cao Màng TiO2 có bậc tinh thể cao, mật độ cặp điện tử - lỗ trống nhiều, tính quang xúc tác mạnh Chất quang xúc tác TiO2 cải tiến Nhƣ trình bày trên, TiO2 anatase chất bán dẫn có vùng cấm rộng (Anatase 3,2eV) Nó bị kích hoạt ánh sáng tử ngoại gần Mà ánh sáng tử ngoại chiếm dƣới 10% tổng cƣờng độ ánh sáng mặt trời Mặt khác, mẫu bán dẫn TiO2 đa tinh thể có kích thƣớc hạt lớn, cặp điện tử-lỗ trống sinh TiO2 đƣợc chiếu UV có khuynh hƣớng dễ bị tái hợp trở lại, dẫn đến hiệu suất lƣợng tử thấp ( < 1%) [37] Những vấn đề thúc đẩy nghiên cứu mở rộng vùng đáp ứng quang (photoresponse) TiO2 cách dịch bờ hấp thu sang vùng ánh sáng nhìn thấy hạn chế tái hợp lỗ trống điện tử MỞ19ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 20 of 27 Trang: cách giảm độ lớn hạt tinh thể xuống kích thƣớc nano, nâng cao độ xốp màng cải biên (modification) tính chất bề mặt chất bán dẫn TiO2 Mật độ công suất (watts/m2) Bước sóng (nm) Vùng quang hóa TiO2: hν  Eg  3,2eV Năng lượng photon (eV) Hình 1.5: Phổ lượng mặt trời Đến hệ quang xúc tác bán dẫn cải tiến đƣợc nghiên cứu với mục đích : - Ngăn cản tái hợp, làm tăng hiệu suất q trình quang hóa cách tách cặp hạt tải điện tử- lỗ trống sinh TiO2 đƣợc kích thích ánh sáng - Mở rộng vùng bƣớc sóng đáp ứng quang (photoresponse) để kích thích chất bán dẫn vùng cấm rộng ánh sáng nhìn thấy - Làm thay đổi độ chọn lọc hay hiệu suất sản phẩm Trong luận văn này, chúng tơi trình bày kết nghiên chế tạo hệ vật liệu TiO2/SiO2 TiO2/ SiO2 pha tạp N gạch men nhằm làm tăng khả quang xúc tác màng nano TiO2 loại sản phẩm Khả ứng dụng TiO2 chế tạo vật liệu tự làm Gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày gia tăng giới Quang xúc tác TiO2 nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ vào việc phân hủy chất thải độc hại môi trường Quang xúc tác TiO2 thu hút ý lớn khả làm mơi trường cách tự nhiên Chỉ cần tác dụng ánh sáng mặt trời, oxi nước khí phân hủy dần chất thải hữu có độc hại đến sản phẩm cuối CO2 MỞ20ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 21 of 27 Trang: H2O Quang xúc tác hiệu ứng bề mặt, phản ứng phân hủy xảy ánh sáng chiếu vào bề mặt TiO2 chất cần phân hủy phải tiếp xúc trực tiếp với TiO2 Nên người ta thấy cần phủ lớp mỏng TiO2 lên tường, sàn nhà đồ vật gia đình tạo cho chúng tính tự tẩy rửa, phân hủy chất hữu cơ, khử mùi hôi, diệt vi trùng khử độc tố có ánh sáng chiếu vào Hình 1.6: Những lĩnh vực ứng dụng TiO2 TiO2 trạng thái bình thường (khơng chiếu sáng) có tính kỵ nước chiếu sáng (ánh sáng vùng tử ngoại), TiO2 lại thể tính ưa nước Trong trường hợp này, electron lỗ trống tạo chúng hoạt động theo cách khác Trong trình này, electron khử cation Ti4+ thành Ti3+, lỗ trống oxy hóa anion O2- tạo thành oxy nguyên tử bị đưa khỏi mạng tinh thể để lại chỗ trống thiếu oxy (Hình 1.7) Các phân tử nước chiếm chỗ trống oxy vừa tạo tạo nhóm OH Chính nhóm OH làm cho bề mặt TiO2 trở nên siêu ưa nước Bề mặt vật liệu khoảng 30 phút sau chiếu sáng góc tiếp xúc nước tiến tới độ, có nghĩa nước trải tạo thành lớp phim mỏng bề mặt vật liệu [18,19] MỞ21ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 22 of 27 Trang: 10 Hình 1.7: Cơ chế chuyển từ tính kỵ nước sang tính ưa nước màng TiO2 chiếu sáng Mức độ ưa nước vật liệu đo góc tiếp xúc nước với bề mặt vật liệu, góc tiếp xúc nhỏ tính ưa nước mạnh Hiện có vật liệu có góc tiếp xúc nước nhỏ 100, trừ vật có chất hút nước hay bề mặt hoạt hóa Tuy nhiên thời gian sống vật liệu ngắn góc tiếp xúc nhỏ khơng trì lâu Màng mỏng với có mặt chất xúc tác quang TiO2 có tính chất siêu ưa nước thú vị Đầu tiên, góc tiếp xúc nước bề mặt TiO2 khoảng vài chục độ, chiếu sáng vùng tử ngoại góc tiếp xúc giảm cuối đạt giá trị 00 Sau đó, ngừng chiếu sáng góc tiếp xúc tăng lên vài độ nhiều mà khơng cần phải chiếu sáng Nếu muốn giảm góc tiếp xúc, phải làm thao tác đơn giản chiếu tia tử ngoại lên bề mặt mẫu Tính siêu ưa nước TiO2 ứng dụng thực tế dễ thấy Sau giải thích cách đơn giản chế chuyển từ kỵ nước sang siêu ưa nước bề mặt vật liệu có mặt TiO2 Bước 1: Như biết TiO2 để môi trường bình thường dễ hấp thu hóa học nhóm OH (hydroxyl) có nước, nhiên nhóm hydroxyl khơng ổn định Do chúng hút bám phân tử kỵ nước tồn sẵn bề mặt vật liệu để chuyển sang trạng thái bền (Hình 1.8) MỞ22ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 23 of 27 Trang: 11 Hình 1.8: Bề mặt kỵ nước TiO2 Bước 2: Khi chiếu sáng, chất xúc tác quang TiO2 phân hủy phân tử hữu kỵ nước tạo thành CO2, H2O hay axit hữu làm cho nhóm ‟OH lộ bề mặt (Hình 1.9) Hình 1.9: Sự phân huỷ chất hữu làm lộ nhóm –OH Bước 3: Các nhóm OH lộ hấp phụ vật lý, liên kết với phân tử nước (Hình1.10) Hình 1.10: Quá trình hấp phụ vật lý phân tử nước Bước 4: Nước bị hấp phụ vật lý vào cấu trúc cách khuếch tán qua bề mặt vật liệu ổn định hóa (Hình 1.11) MỞ23ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 24 of 27 Trang: 12 Hình 1.11: Nước khuếch tán vào bề mặt vật liệu Tính chất khử độc làm nước TiO2 ứng dụng nuôi trồng thủy sản: Nước thải sau chu kỳ nuôi chứa nhiều độc tố gây hại nguồn gây bệnh Nên sau chu kỳ nuôi trồng cần phải thay nguồn nước Sử dụng TiO2 làm tác nhân khử loại độc tố trước thải nguồn nước môi trường điều cần thiết để bảo vệ môi trường sinh thái Điều làm hạn chế cách tối đa nguồn gốc gây dịch bệnh Sử dụng công nghệ khử độc tố dựa tính chất quang xúc tác TiO2 hứa hẹn thành công lĩnh vực nuôi trồng thủy sản nước ta, lĩnh vực mà nước ta có nhiều ưu Tính chất TiO2 ứng dụng nhiều lĩnh vực khác khử độc tố chứa khí thải cơng nghiệp, nguồn nước thải cơng nghiệp Bên cạnh phủ lớp TiO2 lên mái nhà, cần lớp nước mỏng bề mặt, tác dụng ánh sáng mặt trời lớp nước bốc Trong trình bốc nước lấy lượng nhiệt tương đối lớn, theo tính tốn lượng nhiệt lấy lên đến 8oC  10oC q trình làm lạnh khơng cần nguồn Chính lĩnh vực hứa hẹn ứng dụng độc đáo, hấp dẫn TiO2 sống người Một số ứng dụng cụ thể tính chất quang xúc tác TiO2 số lĩnh vực liên quan đến môi trường :  Phân huỷ chất thải hữu rắn khu công nghiệp, bệnh viện  Phủ lớp TiO2 lên mặt đường tác dụng ánh sáng mặt trời chất độc hữu khơng khí bám dính đường bị phân hủy đến sản phẩm cuối góp phần làm đường, chống ô nhiễm môi trường  Khi phủ lớp vật liệu TiO2, vật dụng có khả tự tẩy rửa khơng cần đến hóa chất tác động học Chẳng hạn, tường nhà MỞ24ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 25 of 27 Trang: 13 phủ lớp vật liệu TiO2 có khả chống thấm nước, chống mốc Điều mang lại lợi ích kinh tế lớn  TiO2 sử dụng thiết bị kiểm tra độ ô nhiễm nguồn nước Thơng qua thiết bị đo nồng độ khí CO2 từ mẫu đo Chúng ta xác định đươc độ ô nhiễm nguồn nước  Dựa tính chất tự tẩy rửa phân tách nước nên TiO2 ứng dụng vào việc chế tạo loại kính khơng mờ trời mưa phục vụ cho nghành giao thơng vận tải trang trí nội thất Đại cƣơng gốm sứ Qui trình cơng nghệ sản xuất gốm sứ thường trải qua giai đoạn sau: (1) chuẩn bị nguyên liệu, phối liệu; (2) Tạo hình; (3) Gia cơng nhiệt sản phẩm [4] Ngun liệu, phối liệu Ngun liệu đóng vai trò quan trọng hàng đầu cơng nghệ ceramic Ngồi ra, thành phần khống, thành phần hố ngun liệu, kích thước hạt trạng thái hoạt hoá bề mặt yếu tố quan trọng khác tác động tới trình cơng nghệ tính chất sản phẩm Để đạt hạt có kích thước hạt nhỏ, mịn phương pháp chủ yếu sử dụng nghiền Nghiền tiến hành theo nhiều giai đoạn: nghiền thô, nghiền nhỏ nghiền mịn Thơng thường, qui trình sản xuất gốm sứ máy nghiền kiêm chức trộn phối liệu Sau có phối liệu, trước tạo hình người ta phải tiến hành bước làm đồng khối chất dẻo Phối liệu luyện, hút chân không đem ủ làm cho chúng trở nên đồng thành phần, độ ẩm ứng suất học Tạo hình Bước tạo hình nhằm tạo sản phẩm có hình dạng tính chất cần thiết Có phương pháp tạo hình gốm sứ:  Tạo hình phương pháp đổ rót  Tạo hình dẻo  Tạo hình phương pháp ép MỞ25ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 26 of 27 Trang: 14 Hiện nay, người ta dùng chủ yếu phương pháp ép đẳng áp thuỷ tĩnh cho sản phẩm có chất lượng cao, đồng Phối liệu đổ vào khn sau sử dụng chất lỏng để truyền áp lực đồng lên mẫu, cuối tháo chất lỏng khỏi khuôn ta thu sản phẩm Gia cơng sản phẩm a, Sấy Sau hình thành sản phẩm mộc, người ta phải sấy để loại nước Có thể sấy tự nhiên cưỡng Trong công nghệ sấy nung tiến hành thiết bị phân thành cơng đoạn khác Nói chung, mục đích sấy loại nước cho nhanh mà không làm biến dạng hay nứt vỡ sản phẩm b, Phủ men Men lớp phủ dạng thuỷ tinh đưa lên bề mặt gốm sứ, nhằm trang trí bảo vệ lớp bề mặt Với số sản phẩm gốm sứ lớp men khơng có tác dụng làm đẹp, trang trí mà có tác dụng tăng độ bền cơ, chống mài mòn, ăn mòn hố học mơi trường Có phương pháp phủ men bề mặt gốm sau:  Tráng men: Mộc thô làm bề mặt nhúng huyền phù men Nhờ độ xốp bề mặt mộc cao, huyền phù bị hút bám lớp mỏng mộc Khi nung lớp chảy thành men Với số sản phẩm, men dội xối lên bề mặt mộc  Phun men: Huyền phù men phun thành lớp bụi độ dày vừa phải bám lên bề mặt xương mộc Phun men cho suất chất lượng cao, tiết kiệm nguyên liệu Với sản phẩm gốm sứ đặc biệt, dùng trường plasma phủ lớp men lên bề mặt Men coi tốt nung xong, xương gốm kết khối yêu cầu, men bám dính tốt, láng bề mặt xương Để đảm bảo men bám bề mặt gốm sứ, không bị bong hay rạn nứt hệ số giãn nở nhiệt men xương gốm sứ phải tương đương Ngoài ra, ta phải quan tâm đến yếu tố độ thấm ướt, độ nhớt men bề mặt gốm, sức căng bề mặt, hệ số đàn hồi… c, Nung MỞ26ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 27 of 27 Trang: 15 Nung tồn q trình gia nhiệt sản phẩm gốm sứ với chế độ thích hợp: từ nhiệt độ thường nhiệt độ cao sau làm nguội mơi trường cần thiết Nhờ đó, vật liệu trở nên rắn chắc, khơng bị biến dạng có tính chất cần thiết phù hợp với yêu cầu sử dụng Các biến đổi hoá lý quan trọng nung xảy chủ yếu trạng thái rắn (có thể pha lỏng), đồng thời xảy kết khối Các thông số chế độ nung:  Nhiệt độ nung: nhiệt độ cao cần thiết cho trình phản ứng kết khối đạt mức cần thiết mà sản phẩm không bị biến dạng  Thời gian nung: toàn thời gian cần thiết chu trình nung, kể từ lúc bắt đầu nâng nhiệt lấy thành phẩm  Môi trường nung: tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể, mơi trường khí lò chế độ oxy hố (dư khơng khí), mơi trường khử (thiếu khơng khí) trung tính Ngồi có u cầu đặc biệt khác mơi trường khí nitơ, nung chân khơng khí trơ… Việc tìm hiểu qui trình chế tạo sản phẩm gốm sứ đề tài nhằm mục đích tìm giai đoạn thích hợp để tráng phủ lớp màng TiO2 lên vật liệu Màng mỏng TiO2 tráng phủ lớp ngồi sản phẩm, có tác dụng tự làm diệt khuẩn Theo qui trình chế tạo này, TiO2 phủ thành màng mỏng suốt lên sản phẩm sau nung xong, cần vùng nung phụ khoảng 5000C sau để phân huỷ hợp chất hữu tạo màng TiO2 dạng anatase Với qui trình này, ta tận dụng nhiệt khí thải để tiết kiệm lượng Một khả khác đưa bột nano TiO2 trộn với men tráng phủ, nên cần nung sản phẩm lần Tuy nhiên với nhiệt độ nung gốm sứ khoảng 11000C-13000C, TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Hoàng An (2000), “Chế tạo xác định cấu trúc vật liệu nanoconposite từ tính hệ Fe/Silica”, Luận án thạc sỹ khoa học vật liệu, Bộ giáo dục đào tạo, Trung Tâm Quốc tế đào tao khoa học vật liệu Phùng Thị Xuân Bình (2001), “Nghiên cứu chế tạo tính chất quang điện hóa màng mỏng TiO2 nano xốp chế tạo phương pháp sol-gel”, Luận án thạc sỹ khoa học Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG Hà nội MỞ27ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 28 of 27 Trang: 16 Trần Thị Đức, Lê Thị Hoài Nam, Bùi Tiến Dũng, Phùng Thị Xuân Bình, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Châu Thùy “Chế tạo nghiên cứu ứng dụng màng xúc tác quang hóa TiO2” Tạp chí Hóa học T.40, tập 40, trang 27, 2002 Đỗ Quang Minh “Kỹ thuật sản xuất vật liệu gốm sứ” Đại học quốc gia TP HCM 2006 Tiếng Anh A Ennaoui, B.R Sankapal, V Skryshevsky, M.Ch Lux-Steiner, “TiO2 and TiO2-SiO2 thin films and powders by one-step soft-solution method: synthesis and characterizations”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, 2006, page 15331541 Amy L Linsebigler, Guang Quan Lu and John T Tates (1995), “Photocatalys TiO2 surfaces: priciples, mecanisms and selected result”, Chem.Rev., Vol.95, pp.735-758 Ander Hagfedt (1993), “Microporous and polycrystalline semiconductor electrodes studies by ohotochemical method supported by quantum chemical calculation and photoelectron spectroscopy”, Dotoral dissertation at Uppsala University, Sweden Akira Fujishima, Tata N Rao, Donald ATryk “Titanium dioxide photocatalysis” Materials Characterization, 2000 V.T.Bich, T.T.Duc, N.N.Trung, V.T.T.Thuy, N.T.Binh, N.T.M.Huong, V.T.Son: “Structural properties of nanocomposite SiO2/TiO2 films investigated by Raman and FIIR spectroscopy” Hội nghị VLCR5, Vũng tàu 11/2007 10 Nguyen Viet Cuong, Nguyen The Vinh (2007) “Synthesis and Charaterization of N-TiO2-SiO2 photocatalyst for decomposition of phenol under natural sunlight” Proceeding of IWA 2007 pp.507-513 11 C.Jeffery Brinker and George W Scherer, “Ultrastructure processing of ceramics, glasses and composite”, Wiley, 1984 12 Cjeffrey Barinker, George W.Scherer Sol-Gel Science: The physics and chemistry of sol-gel processing - Brinker 1990 13 Diana Mardare, G-I.Rusu, (2002), The influence of heat treatment on the optical properties of titanium oxide thin films, Faculty of Physics, Romania, Materials Letters 56, p210-214 MỞ28ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 29 of 27 Trang: 17 14 Dang Mau Chien, Nguyen Ngoc Viet, Nguyen Thi Kieu Van, Nguyen Thi Phuong Phong, “Study on fabricating TiO2-SiO2 thin film and its photocatalyst properties”, the 1st International Workshop on Nanotechnology and Application IWNA2007, p 55-59, Vung Tau, Vietnam, 15-17 November 2007 15 H.Irie, Y.Watanabe, K.Hashimoto; J Phys Chem B 107, 5483 (2003) 16 James Gole, Clemens Burda, Andrei Fedorov and Mark White (2003) “Enhanced reactivity and phase transformation at the nanoscale: Efficient formation of active Silica and doped and metal seeded TiO 2-xNx photocatalysts”, Adv Mater Sci 5, pp 265-269 17 Kaishu Guan, “Relationship between photocatalyitc activity, hydrophilicity and self ‟ cleaning effect of TiO2/SiO2 films”, Surface & Coatings Technology 191(2005), page 155 ‟ 160 18 Kaneko M and Okura I (Eds 2002), Photocatalysis Science and Technology, Kodansha Springer, Tokyo 19 Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima, (2005), TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects, The Japan Society of Applied Physics 20 Kortan A R., Hull R., Opila R L., Bawendi M G., Steigerwald M L., Carrol S R., Brus L E., (1990), J Am Chem Soc., 112, pp 1327 21 Kunio Funakoshi anf Toru Nonami, “Preparation of a Supperhydrophilic Thin Film on Glass Subtrate Surfaces with Titanium Alkoxide Solution”, J.Am Ceram Soc 89 [9] 2006, page 2782-2786 22 Kunio Funakoshi, and Toru Nonami, “Preparation of a Superhydrophilic Thin Film on Glass Substrate Surfaces with Titanium Alkoxide Solution”, Journal of the American Ceramic Society, 9, 2006 2782-2786 23 Kaishu Guan, “Relationship between photocatalyitc activity, hydrophilicity and self ‟ cleaning effect of TiO2/SiO2 films”, Surface & coatings Technology 191(2005), page 155-160 24 Lei Zhao, Qing Jiang, Jianshe Lian, (2008), “Visible-light photocatalytic activity of nitrogen-doped TiO2 thin film prepared by pulsed laser deposition”, Key Laboratory of Automobile Materials, Ministry of Education, College of Materials Science and Engineering, Jilin University, Nanling Campus, Changchun 130025, China MỞ29ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 30 of 27 Trang: 18 25 Lei Ge, Mingxia Xu, Haibo Fang, (2007), “Fabrication, characterization and photocatalytic activities of TiO2 thin films from autoclaved-sol”, Thin Solid Films 515, pp 3414‟3420 26 Ming-Show Wong, Hung Pang Chow, Tien ‟ Syh Yang, Thin Solid Films 494 (2006), 244 ‟ 249 27 M.Machida, K.Norimoto, T.Watanabe, K.Hashimoto, A.Fujishima “The effect of SiO2 addition in super-hydrophilic property of TiO2 photocatalyst”, Joural of material science 34 (1999), page 2569 ‟ 2574 28 Mohua Chen, Guanjun Wang, Mingfei Zhou, “Formation of the end-on bonded OTiNN dinitrogen complex and its photoconversion to the side-on bonded OTi(N2) molecule ”, Chemical Physics Letters 409 (2005) 70‟74 29 Masakaku Anpo, (2000) “Utilization of TiO2 photocatalysts in green chemistry” Pure Appl Chem., Vol.72, No.7, pp.1265-1270 30 Pelagia I.Gouma, Michael J.Mills, “Anatase-to-Rutile Transformation in Titania Powders”, Journal of the American Ceramic Society, 3, 2001, p.619-622 31 P.-G.Wu, C.-H.Ma, J.K.Shang, (2005), Effects of nitrogen doping on optical properties of TiO2 thin films, Appl.Phys.A81, p1411-1417 32 R.Asachi, T.Morikawa, T.Ohwaki, K.Aoki, Yataga Sxience 293, 269, (2001) 33 Sadeghi M., Liu W., Zhang T G., Stavropoulos P., Levy B., (1996), “Role of photoinduced charge carier separation distance in heterogeneous photocatalysis: oxidative degradation of CH3OH vapor in contact with Pt/TiO2 and confumed TiO2-Fe2O3”, J Phys Chem., 100, pp.19466-19474 34 Sung-Mao Chiu, Zhi-Sheng Chen, Kuo-Yuan Yang, (2007), Photocatalytic activity of doped TiO2 coatings prepared by sputtering deposition, Journal of Materials Processing Technology 192‟193, 60‟67 35 S.Permpoon, M.Houmard, D.Riassetto, L.Rapenne, G.Berthome, B.Baroux, J.C.Joud, M.Langlet, “Natural and persitent superhydrophilicity of SiO2/TiO2 and TiO2/SiO2 bi-layer films”, Thin solid Films 2007 – ScienceDirect 36 Takeshi Morikawa, Ryoji Asahi, Takeshi Ohwaki, Koyu Aoki, Kenichi Suzuki, Yasunori Taga, R&D Review of Toyota CRDL Vol 40 No 3, (2005) MỞ30ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 31 of 27 Trang: 19 37 T.Lindgren, J.M.Mwabora, E.Avendano…J.Phys.Chem B107, 5709, (2003) 38 Timothy T Y Tan, Chi kin Yip, Donia Beydoun and Rose Amal, (2002), “Effects of nano-Ag Particles Loading on TiO2 photocatalytic reduction of Selenate ions” Chemical Engineering Journal, pp 637 39 Xiaobo Chen, “ Synthesis and investigation of novel nanomaterials for improved photocatalysis” August, 2005 40 Y W H Wong, C W M Yuen, M Y S Leung, S K A Ku, and H L I Lam, “Elected applications of nanotechnology in textiles”, AUTEX Research Journal, Vol 6, No 1, 2006 MỞ31ĐẦU Footer Page of 27 Header Page 32 of 27 MỞ32ĐẦU Footer Page of 27 Trang: 20 ... 1.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình thuỷ phân ngưng tụ Error! Bookmark not defined 1.3.5 Ưu-khuyết điểm phương pháp sol-gel.Error! Bookmark not defined 1.3.6 Một số ứng dụng phương pháp sol-gel... gần việc nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 có kích thước nano ứng dụng lĩnh vực khác hướng khuyến khích hàng đầu với mục tiêu nắm bắt kịp trình độ giới khu vực Các phương pháp nghiên cứu chế tạo... phương pháp nghiên cứu chế tạo đại áp dụng để tạo vật liệu sản phẩm ứng dụng công nghệ cảm biến, công nghệ môi trường phục vụ cho nghiên cứu phát triển ứng dụng khoa học kỹ thuật nước, cạnh tranh