Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng vật liệu tio2 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN CAO KHOA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TiO2 CĨ CẤU TRÚC HÌNH CẦU RỖNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT VỚI KIM LOẠI VÀNG Chun ngành: Vật lí chất rắn Mã sớ: 8440104 Người hướng dẫn: TS LÊ THỊ NGỌC LOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Lê Thị Ngọc Loan, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Nguyễn Cao Khoa LỜI CẢM ƠN Trong q trình học tập hồn thành luận văn, nhận ủng hộ, giúp đỡ quý báu từ thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè người thân Lời đầu tiên, xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS.Lê Thị Ngọc Loan - người hướng dẫn trực tiếp, tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực đề tài luận văn Tôi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho chúng tơi q trình học tập sau trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn hỗ trợ giúp đỡ nhiều việc thực phép đo để đóng góp vào kết luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn người thân ln bên cạnh, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Nguyễn Cao Khoa MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu công nghệ nano phát triển mạnh có tác động mạnh mẽ với đời sống người So với vật liệu truyền thống, vật liệu nano xuất nhiều tính chất cải thiện số tính chất vốn có vật liệu Công nghệ nano giúp chế tạo vật liệu linh kiện có cấu trúc nano chúng dần chiếm ý nghĩa lớn sống người Trong loại vật liệu xít bán dẫn, vật liệu TiO chất xúc tác tuyệt vời với tính chất ưu việt xúc tác quang, siêu thấm ướt đồng thời bền, không độc, trữ lượng cao, giá thành rẻ thân thiện với môi trường Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm ơxít titan lớn (3,2 eV pha anatase 3,0 eV pha rutile) nên ánh sáng tử ngoại (UV) với bước sóng λ < 380 nm kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn gây tượng quang xúc tác Điều hạn chế khả quang xúc tác TiO2, thu hẹp phạm vi ứng dụng vật liệu [1] Để sử dụng ánh sáng mặt trời vào trình quang xúc tác TiO2, cần phải thu hẹp vùng cấm Để thực mục đích này, nhiều phương pháp đưa pha tạp ion kim loại [6] [7], phi kim [8] [9] vào bán dẫn TiO 2, tổ hợp với bán dẫn có bề rộng vùng cấm nhỏ [10] hay pha tạp tác nhân phát quang [11], để mở rộng phổ hấp thụ quang học từ vùng UV sang vùng ánh sáng nhìn thấy giảm tái hợp điện tử lỗ trống sinh vật liệu TiO2 Ngồi phương pháp nêu cấu trúc vật liệu tạo nên tính chất mới, ví dụ cấu trúc cầu xốp giúp dịch chuyển vùng hấp thụ ánh sáng từ vùng tử ngoại sang vùng nhìn thấy nhờ tượng nhiễu xạ ánh sáng (diffraction), điều giúp cải thiện khả hấp thụ ánh sáng, đặc biệt cấu trúc biến tính bề mặt với kim loại quý vàng bạc Các cấu trúc TiO cấu trúc cầu xốp kích thước nano biến tính bề với Ag Au có ý nghĩa quan trọng xúc tác quang, điện hóa, cảm biến … Từ phân tích nên tơi lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng vật liệu TiO2 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng ” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sỹ Hy vọng luận văn tài liệu tham khảo hữu ích góp phần làm phong phú vật liệu nano ứng dụng đời sống kỹ thuật Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO có cấu trúc hình cầu rỗng sử dụng khn cứng cầu polystyrene(PS) tổng hợp phương pháp sol-gel - Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu TiO2 hạt nano kim loại vàng - Khảo sát đặc trưng vật liệu TiO2 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng - Khảo sát vật liệu chế tạo ứng dụng phân hủy chất chất kháng sinh Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu:Vật liệu TiO2 TiO2 biến có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng kim loại bạc - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo nano TiO có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng Nghiên cứu đặc trưng khảo sát ảnh hưởng số điều kiện chế tạo đến cấu trúc, hình thái, tính chất hệ vật liệu Mặc dù mục tiêu để tài tập trung nghiên cứu chế tạo TiO2 có cấu trúc cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng Tuy nhiên đề tài nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu TiO với kim loại Ag khảo sát ứng dụng xúc tác để hiểu rõ tính chất vật liệu so sánh với trường hợp biến tính kim loại Au Phương pháp nghiên cứu - - Phương pháp nghiên cứu sở lí luận tổng hợp tài liệu - Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu Phương pháp khảo sát đặc trưng tính chất vật liệu hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS) Khảo sát khả xúc tác kháng sinh đèn LED Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Góp phần làm phong phú thêm phương pháp chế tạo TiO biến tính vật liệu, đa dạng hóa loại vật liệu nano cấu trúc cầu xốp, mở rộng khả ứng dụng vật liệu TiO2 loại vật liệu dồi tự nhiên thân thiện với môi trường - Kết đóng góp định mặt thực tiễn, đưa hướng giải vấn đề xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời dùng làm đế SERS để tăng cường tán xạ Raman Cấu trúc luận văn Luận văn kết cấu gồm phần: Mở đầu Chương Tổng quan lý thuyết Chương Thực nghiệm Chương Kết thảo luận Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 TiO2 oxít kim loại bán dẫn, cấu trúc tinh thể tồn ba pha chính: rutile, anatase brookite Hai dạng thù hình thường gặp có nhiều ứng dụng thực tế rutile anatase [8] Trong đó, có pha bền pha rutile (tetragonal) hai pha giả bền anatase (tetragonal) brookite (orthorhombic) Cấu trúc tinh thể pha mơ tả hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể pha anatase, rutile, brookite TiO [9] Các pha rutile anatase có cấu trúc tinh thể thuộc hệ tứ giác pha brookite có cấu trúc tinh thể trực thoi Cả ba pha tạo từ đa diện phối trí TiO6 có cấu trúc bát diện, đa diện phối trí xếp khác không gian cho pha Hình 1.2 mơ tả cấu trúc khơng gian đa diện phối trí cho pha khác TiO Trong cấu trúc rutile, đa diện tiếp xúc với 10 bát diện lân cận cịn cấu trúc anatase đa diện tiếp xúc với bát diện lân cận khác Sự khác cách xếp không gian đa diện nguyên nhân dẫn đến tính chất khác pha TiO2 Hình 1.2 (a) Cấu trúc bát diện TiO6 [10] và xếp không gian chúng ô sở pha (b) anatase, (c) rutile, (d) brookite TiO2 [11] Cấu trúc chung đa diện phối trí ba pha giống nhau, cation Ti4+ phối vị với anion O2-, anion O2- phối vị với ba cation Ti4+ hình 1.2a Tuy nhiên, cấu trúc cụ thể đa diện pha có biến dạng khác nhau, biến dạng có xu hướng làm giảm tính đối xứng tinh thể Sự biến dạng làm cho khoảng cách Ti-Ti pha rutile ngắn khoảng cách Ti-O dài so với pha anatase Sự thay đổi khoảng cách làm cho cấu trúc điện tử pha thay đổi, từ dẫn đến thay đổi tính chất vật lý hóa học vật liệu Một số thông số vật lý cho pha TiO2 cho bảng 1.1 Bảng 1.1 Một số thông số vật lý pha rutile, anatase và brookite TiO2 [12] Tính chất Cấu trúc tinh thể Hằng số mạng (nm) Thể tích sở (nm3) Nhóm khơng gian Tính chất Số ngun tử ô sở Khối lượng riêng (kg/m3) Chiết suất Độ rộng vùng cấm (eV) Độ dài liên kết Ti-O (nm) Góc liên kết O-Ti-O Tính tan nước Tính tan HF Tất các dạng tinh thể TiO tồn tự nhiên khống, nhiên có rutile anatas dạng đơn tinh thể tổng hợp nhiệt độ thấp Hai pha sử dụng thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác,…Các mẫu TiO2 phân tích nghiên cứu bắt đầu tổng hợp từ pha anatas trải qua trình nung để đạt pha rutile bền [13] Brookite quan trọng mặt ứng dụng bị hạn chế việc điều chế brookite sạch, khơng lẫn rutile anatas điều khó khăn Mặt khác, vật liệu màng mỏng hạt nano TiO tồn dạng thù hình anatas rutile, khả xúc tác quang brookite khơng có nên ta khơng xét đến pha brookite đề tài 1.1.2 Một số tính chất vật liệu TiO2 1.1.2.1 Tính chất hố học Bền mặt hóa học (nhất dạng nung), không phản ứng với nước, dung dịch axit vô loãng, kiềm, amoni, axit hữu [14] ... sol-gel - Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu TiO2 hạt nano kim loại vàng - Khảo sát đặc trưng vật liệu TiO2 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng - Khảo sát vật liệu chế tạo. .. vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu TiO2 TiO2 biến có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng kim loại bạc - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo nano TiO có cấu trúc. .. nghiên cứu chế tạo TiO2 có cấu trúc cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng Tuy nhiên đề tài nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu TiO với kim loại Ag khảo sát ứng dụng xúc tác để hiểu rõ tính