Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit sio2 tio2 đồng pha tạp ce và al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit SiO2-TiO2 đồng pha tạp Ce3+ Al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo” TRẦN THỊ QUỲNH NHƯ Tranquynhnhu1504@gmail.com Ngành Vật lý kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn: Viện: GS TS Phạm Thành Huy TS Cao Xuân Thắng Tiên tiến Khoa học Công nghệ HÀ NỘI, 03/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Trần Thị Quỳnh Như Đề tài luận văn : “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit SiO2-TiO2 đồng pha tạp Ce3+ Al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo” Chuyên ngành Mã số SV : Vật lý kỹ thuật : CA180172 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 20/02/2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi tả, in ấn, câu văn, hình ảnh - Bổ sung tài liệu tham khảo, ký hiệu viết tắt, hình ảnh minh họa - Chỉnh sửa phần kết luận rõ ràng, cụ thể - Chuẩn hóa thuật ngữ tiếng Anh, tiếng Việt - Bổ sung phương pháp đo độ cứng Mohs Ngày 18 tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Trần Thị Quỳnh Như CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit SiO2-TiO2 đồng pha tạp Ce3+ Al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo” Giáo viên hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn GS.TS Phạm Thành Huy TS Cao Xuân Thắng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn kết nghiên cứu thân thời gian học tập Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST) Các số liệu kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2020 Người cam đoan Trần Thị Quỳnh Như i LỜI CẢM ƠN “Có nhiều đường để bạn chọn lựa, muốn nhanh mình, muốn xa nhau”, vậy, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến người đồng hành tơi Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn GS TS Phạm Thành Huy, TS Cao Xuân Thắng, tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu, học tập thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Tiên tiến Khoa học công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Polyme, Đại học Phenikaa với thầy cô, gia đình, bạn bè tạo điều kiện thuận lợi, đồng hành, hỗ trợ tơi suốt q trình học tập TÓM TẮT LUẬN VĂN Mục tiêu nghiên cứu luận văn Chế tạo nghiên cứu đặc trưng hình thái, cấu trúc, tính chất vật liệu nanocompozit silica-titania (SiO2-TiO2) silica-titania pha tạp xeri, nhôm (SiO2-TiO2:Ce3+, SiO2-TiO2:Al3+, SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vật liệu compozit silica-titania với nồng độ pha tạp Ce3+ Al3+ khác khảo sát công nghệ chế tạo ảnh hưởng nồng độ pha tạp (Ce3+, Al3+) đến cấu trúc tính chất vật liệu Phương pháp nghiên cứu Luận văn nghiên cứu chủ yếu phương pháp thực nghiệm Các phép nghiên cứu, khảo sát cấu trúc, tính chất sử dụng luận văn là: XRD, FESEM, phổ FTIR, UV-vis, WCA, độ cứng Mohs Đóng góp đề tài - Luận văn trình bày quy trình, thơng số chế tạo, nồng độ pha tạp vật liệu silica-titania pha tạp xeri nhôm phương pháp sol-gel kỹ thuật phủ quay - Về mặt khoa học: khẳng định vai trò ion Al3+, Ce3+ dịch chuyển vùng hấp thụ phía vùng ánh sáng khả kiến, bề mặt có tính siêu ưa nước - Về mặt thực tiễn: Vật liệu chế tạo có tiềm ứng dụng làm lớp vật liệu phủ lên bề mặt đá nhân tạo, mở rộng khả sử dụng đá nhân tạo trời HỌC VIÊN Trần Thị Quỳnh Như ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu 1.1.1 Giới thiệu vật liệu nanocompozit 1.1.2 Vật liệu nanocompozit silica-titania 1.2 Giới thiệu vật liệu hấp thụ xạ cực tím 10 1.2.1 Bức xạ cực tím 10 1.2.2 Tác động xạ cực tím lên vật liệu 11 1.2.3 Bảo vệ vật liệu khỏi tác động xạ cực tím 12 1.3 Giới thiệu vật liệu tự làm 13 1.4 Độ bền học vật liệu độ cứng theo thang Mohs 14 1.5 Phương pháp sol-gel 14 1.5.1 Giới thiệu 15 1.5.2 Các q trình xảy sol-gel 16 1.5.3 Ưu, nhược điểm, ứng dụng phương pháp sol-gel 18 1.5.4 Các phương pháp tạo màng 19 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 21 2.1 Hóa chất thiết bị sử dụng 21 2.1.1 Hóa chất 21 2.1.2 Dụng cụ thiết bị sử dụng 21 2.2 Quy trình chế tạo vật liệu silica-titania đồng pha tạp xeri nhôm 21 2.3 Các phương pháp phân tích vật liệu 24 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 24 iii 2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ trường (Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM) 24 2.3.3 Phổ tán sắc lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectrometry, EDS) .25 2.3.4 Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-vis Spectroscopy) 26 2.3.5 Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến UV-vis (UV-vis diffuse reflectance spectroscopy) .27 2.3.6 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 28 2.3.7 Góc tiếp xúc 28 2.3.8 Độ cứng Mohs 29 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Vật liệu nanocompozit silica-titania pha tạp xeri .30 3.1.1 Đặc trưng cấu trúc vật liệu 30 3.1.2 Đặc trưng liên kết vật liệu 30 3.1.3 Hình thái bề mặt thành phần hóa học màng 31 3.1.4 Tính chất quang vật liệu 34 3.1.5 Khả thấm ướt màng 37 3.1.6 Độ bền học màng .38 3.2 Vật liệu nanocompozit silica-titania pha tạp nhôm 39 3.2.1 Đặc trưng liên kết vật liệu 39 3.2.2 Hình thái bề mặt màng 40 3.2.3 Tính chất quang vật liệu 40 3.2.4 Độ bền học màng .42 3.3 Vật liệu nanocompozit silica-titania đồng pha tạp xeri nhôm 43 3.3.1 Đặc trưng liên kết vật liệu 43 3.3.2 Tính chất quang vật liệu 44 3.3.2 Độ bền học màng .45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA γSV Năng lượng bề mặt rắn-hơi γSL Năng lượng bề mặt rắn-lỏng γLV Năng lượng bề mặt lỏng-hơi ∆WSVL CHỮ VIẾT TẮT Năng lượng dính ướt TÊN CB Vùng dẫn Ce Xeri Ce3+ Ion xeri DOS Mật độ trạng thái DFT Phép biến đổi Fourier rời rạc FESEM FT-IR UV Hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hồng ngoại biến đổi Fourier Tia tử ngoại UV-A Tia tử ngoại có bước sóng từ 320 – 400 nm UV-vis Khả kiến - tử ngoại VB Vùng hóa trị XRD Nhiễu xạ tia X WCA Góc thấm ướt v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 Bảng 1.2 Độ cứng thang Mohs 14 Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng chế tạo vật liệu phương pháp sol-gel 21 Bảng 2.2 Các mẫu chế tạo với nồng độ pha tạp Ce3+ Al3+ khác .22 Bảng 3.2 Năng lượng dính ướt bề mặt vật liệu silia-titania pha tạp 6% xeri 38 Bảng 3.3 Độ rộng vùng lượng bước sóng hấp thụ vật liệu nanocompozit pha tạp Ce3+ Al3+ 42 vi pha tạp pha tạp xeri 6% Từ kết cho thấy, mẫu nanocompozit SiO2-TiO2 phủ lên đế thủy tinh độ cứng Độ cứng màng nanocompozit SiO2TiO2:Ce3+ với nồng độ 6% có độ cứng 6, nhiên số lượng vết xước màng pha tạp có tăng, chứng tỏ màng compozit SiO2-TiO2:Ce3+ có độ bền học chưa tốt [17] Hình 3.11 Độ cứng theo thang Mohs màng nanocompozit silica-tiania 3+ Trên khảo sátpha chi tạp tiết Ce hệ thống đặc điểm cấu trúc, đặc trưng liên kết, hình thái bề mặt, tính chất quang, khả dính ướt màng nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+ chế tạo phương pháp sol-gel kỹ thuật phủ quay Màng nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+ với nồng độ pha tạp 6% có bề mặt màng tương đối đồng nhất, có tính siêu ưa nước, khả hấp thụ ánh sáng vùng UV-A Với kết trên, định hướng sử dụng vật liệu làm lớp phủ chống tia cực tím, bề mặt tự làm sạch, ứng dụng lên bề mặt đá nhân tạo gốc thạch anh 3.2 Vật liệu nanocompozit silica-titania pha tạp nhôm 3.2.1 Đặc trưng liên kết vật liệu Hình 3.12 Phổ FT-IR vật liệu nanocompozit silica-titania pha tạp nhôm 39 Hình 3.12 phổ FT-IR vật liệu nanocompozit SiO2-TiO2 SiO2TiO2:Al3+ chưa ủ nhiệt, ủ nhiệt 200 oC, 500 oC Mẫu nanocompozit SiO2TiO2:Al3+ chưa xử lý nhiệt có đỉnh phổ vùng 3500 1650 cm-1 dao động kéo dài liên kết hydroxyl nước Sau xử lý nhiệt 200 500 o C, vùng liên kết nhóm hydroxyl khơng cịn xuất mẫu Trong tất mẫu xuất đỉnh phổ vị trí 1084, 922, vùng 489 cm-1 tương ứng dao động kéo không đối xứng liên kết Si-O-Si, dao động liên kết Si-O-Ti, dao động kéo không đối xứng Ti-O-Ti [9] 3.2.2 Hình thái bề mặt màng Hình 3.13 thể hình thái bề mặt màng nanocompozit SiO2TiO2:Al3+ nồng độ pha tạp khác Từ kết hình FESEM cho thấy, hình thái bề mặt màng compozit SiO2-TiO2:Al3+ tương đối đồng nhất, khơng có tượng tách pha, bề mặt màng có hạt phân tán Khi tăng nồng độ pha tạp Al3+ lên đến 8%, chất lượng bề mặt màng giảm, số mẫu sau xử lý nhiệt xuất vết nứt Có thể khả bám dính vật liệu SiO2-TiO2:Al3+ khơng tương thích với bề mặt thủy tinh Hoặc ion Al3+ có bán kính ion nhỏ (0.053 nm) cấu trúc bất đối xứng, nên dễ vào nền, thay vị trí Si4+ Ti4+, dẫn đến phá hủy mạng nền, xuất vết nứt Hình 3.13 Ảnh FESEM màng nanocompozit silica-titania pha tạp nhôm với nồng độ (a) % (b) % (c) % (d) % 3.2.3 Tính chất quang vật liệu 3.2.4.1 Độ truyền qua màng nanocompozit silica-titania pha tạp nhơm Hình 3.14 trình bày phổ UV-vis truyền qua màng nanocompozit SiO2TiO2:Al3+ với nồng độ mol từ đến 8% Độ truyền qua màng nanocompozit pha tạp nhôm có độ truyền qua khoảng 80 - 90% vùng ánh sáng nhìn thấy 40 (400 – 800 nm) Từ kết hình b cho thấy tăng nồng độ pha tạp nhôm từ đến 8%, màng nanocompozit SiO2-TiO2:Al3+ khơng có dịch chuyển vùng hấp thụ đáng kể Khi pha tạp nhôm vào vật liệu silica-titania, màng nanocompozit có độ truyền qua tốt vùng ánh sáng nhìn thấy, khơng có dịch chuyển vùng hấp thụ Hình 3.14 Phổ UV-vis truyền qua màng compozit silica-titania pha tạp Al3+ (a) bước sóng từ 200 – 800 nm (b) bước sóng từ 300 – 500 nm 3.1.4.2 Khả hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại (UV-vis DRS, Eg) Để nghiên cứu rõ độ rộng vùng lượng, vật liệu nanocompozit SiO2-TiO2:Al3+ tiến hành đo phổ phản xạ khuếch tán vùng khả kiến – tử ngoại Hình 3.15 cho thấy phổ hấp thụ độ rộng vùng hấp thụ vật liệu tổng hợp sau pha tạp nhơm Từ kết hình 3.15 a, rõ ràng vật liệu compozit SiO2-TiO2:Al3+ hấp thụ vùng cực tím, có thay đổi vùng hấp thụ độ rộng vùng cấm khơng đáng kể Từ hình 3.15 b cho thấy độ rộng vùng cấm vật liệu thay đổi từ 3.40 eV xuống 3.18 eV tăng nồng độ pha tạp nhôm từ đến 8% (bảng 3.3) Khi pha tạp Al3+ vào mạng SiO2-TiO2, có dịch chuyển vùng hấp thụ, nhiên khơng đáng kể Hiện tại, chưa có cơng trình công bố pha tạp Al3+ vào mạng silica-titania Theo nhóm nghiên cứu ion Al3+ có cấu hình [Ne]3s03p0, phân mức lượng 3s hay 3p Al3+ không gần mức lượng mạng SiO2-TiO2, dẫn đến không xảy tương tác vùng lượng Kết quả, hệ compozit SiO2-TiO2:Al3+ có dịch chuyển vùng lượng không đáng kể 41 Hình 3.15 Phổ phản xạ khuếch tán UV-vis nanocompsite silica-titania pha tạp Al3+ (a) phổ hấp thụ (b)đồ thị Tauc tính lượng vùng cấm Từ kết FESEM UV-vis phản xạ khuếch tán, cho thấy tăng nồng độ pha tạp nhôm, chất lượng bề mặt màng không tốt, chọn tỉ lệ pha tạp nhôm 4% để khảo sát thêm tính chất Bảng 3.2 Độ rộng vùng lượng bước sóng hấp thụ vật liệu nanocompozit pha tạp Ce3+ Al3+ Mẫu Eg (eV) λ (nm) Mẫu Eg (eV) λ (nm) Ce 0% 3.40 364 Al 0% 3.40 364 Ce 2% 2.89 429 Al 2% 3.40 364 Ce 4% 2.73 454 Al 4% 3.18 390 Ce 6% 2.77 447 Al 6% 3.18 390 Ce 8% 2.66 466 Al 8% 3.18 390 Ce 16% 2.66 466 3.2.4 Độ bền học màng Để khảo sát độ bền học màng nanocompozit silica-titania pha tạp nhôm, tiến hành kiểm tra độ bền màng phương pháp đo độ cứng Mohs Hình 3.16 thể độ cứng theo thang Mohs mẫu phủ vật liệu silica-titania chưa pha tạp pha tạp nhôm 4% Từ kết cho thấy, mẫu nanocompozit SiO2TiO2 phủ lên đế thủy tinh có độ cứng Độ cứng màng nanocompozit SiO2-TiO2:Al3+ với nồng độ 4% có độ cứng 6, nhiên số lượng vết xước màng SiO2-TiO2:Al3+ giảm [17] Từ kết cho thấy màng nanocompozit SiO2-TiO2:Al3+ có độ bền học cải thiện so với pha tạp Ce3+ 42 Hình 3.16 Độ cứng thang Mohs vật liệu compozit silica-titania pha tạp nhôm nhôm Từ kết nghiên cứu có hệ thống đầy đủ, cho thấy vật liệu compozit SiO2-TiO2:Al3+ có độ truyền qua tốt vùng nhìn thấy, nhiên bề mặt màng comoposite có chất lượng chưa tốt Chọn nồng độ pha tạp nhôm thấp (4%) để khảo sát tính chất hệ đồng pha tạp 3.3 Vật liệu nanocompozit silica-titania đồng pha tạp xeri nhơm Vật liệu SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ có chất lượng màng khơng tốt, có tượng nứt, gãy quan sát quang học Vì màng nanocompozit đồng pha tạp tiến hành khảo sát số tính chất quang, độ cứng màng 3.3.1 Đặc trưng liên kết vật liệu Hình 3.17 Phổ FT-IR vật liệu nanocompozit silica-titania với thành phần pha tạp khác Hình 3.17 thể phổ FT-IR vật liệu compozit silica-titania dạng bột chưa pha tạp, pha tạp Ce3+ 6%, pha tạp Al3+ 4% đồng pha tạp Ce3+ Al3+ với tỉ lệ tương ứng 6%, tất chưa xử lý nhiệt Từ hình cho thấy, tất mẫu có dao động đặc trưng liên kết hydroxyl nước, Si-O-Si, Si-O-Ti, Ti-O-Ti tương ứng vùng 3500 – 1650, 1080, 930, 490 cm-1 43 Đối với mẫu compozit silica-titania chưa pha tạp cịn có dao động uốn dao động kéo đối xứng liên kết Si-O-Si 3.3.2 Tính chất quang vật liệu 3.3.2.1 Độ truyền qua màng nanocompozit Màng mỏng nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ đo phổ UV-vis truyền qua với bước sóng từ 200 – 800 nm Mẫu màng đồng pha tạp chọn tỉ lệ Ce3+ pha tạp 6%, thay đổi nồng độ pha tạp Al3+ 6%, tăng nồng độ pha tạp nhôm, chất lượng màng không tốt, bắt đầu xuất hiện tượng nứt, gãy bề mặt màng Hình 3.18 Phổ UV-vis truyền qua màng compozit silica-titania pha tạp Hình 3.18 so sánh độ truyền qua mẫu màng nanocompozit SiO2TiO2, SiO2-TiO2:Ce3+, SiO2-TiO2:Al3+, SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ Từ kết cho thấy, màng nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ có độ truyền qua vùng ánh sáng khả kiến thấp so với mẫu lại, khoảng 70 – 80% 3.3.2.2 Khả hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại (UV-vis DRS, Eg) Hình 3.19 thể độ rộng vùng cấm mẫu vật liệu nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ Mẫu tổng hợp có nồng độ pha tạp xeri 6%, pha tạp nhôm với tỉ lệ khác Tương tự, tiến hành đo phổ phản xạ khuếch tán UV-vis, dùng phương trình Kubelka-Munk để tính độ rộng vùng lượng (Eg) Từ hình 3.19 cho thấy tăng nồng độ pha tạp nhôm, độ rộng vùng cấm có thay đổi, nồng độ pha tạp Al3+ %, Eg khoảng 2.76 eV, nồng độ Al3+ tăng lên 8%, Eg tương ứng 2.80 2.86 eV Từ kết cho thấy, màng nanocompozit silica-titania đồng pha tạp Ce3+ Al3+ có chất lượng màng khơng tốt, độ rộng vùng cấm vật liệu khơng có thay đổi nhiều so với hệ vật liệu pha tạp Ce3+ 44 Hình 3.19 Đồ thị Tauc tính lượng vùng cấm vật liệu nanocompozit silica-titania đồng pha tạp Ce3+ Al3+ 3.3.2 Độ bền học màng Tiến hành kiểm tra độ bền học màng vật liệu compozit đồng pha tạp theo phương pháp đo độ cứng Mohs Hình 3.20 thể độ cứng màng nanocompozit đồng pha tạp Ce3+ Al3+ với nồng độ pha tạp tương ứng 4% Kết đo màng nanocompozit silica-titania đồng pha tạp có độ cứng Cho thấy màng nanocompozit silica-titania đồng pha tạp xeri nhơm có độ cứng cải thiện so với màng compozit pha tạp xeri Hình 3.20 Độ cứng thang Mohs vật liệu compozit silica-titania đồng pha tạp Ce3+ Từ kết phân tích, vật liệu compozit silica-titania đồng pha tạp Al3+ có chất lượng màng khơng tốt, độ truyền qua vùng ánh sáng 45 nhìn thấy giảm, độ bền học khơng có cải thiện nhiều so với hệ vật liệu chưa pha tạp Điều giải thích ion pha tạp Ce3+, Al3+ vào mạng với lượng lớn, gây phá hủy cấu trúc mạng nền, làm giảm chất lượng bề mặt màng, tính chất khác 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở kết nghiên cứu trình bày luận văn trình học tập Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ, tự đánh giá kết đạt sau: Đã nghiên cứu, chế tạo, hoàn thiện quy trình tổng hợp vật liệu nanocompozit TiO2-SiO2 phương pháp sol-gel, màng mỏng chế tạo kỹ thuật quay phủ có chất lượng tốt Từ tối ưu hóa lựa chọn thơng số cơng nghệ trình: tỉ lệ [TEOS]:[TBT] = 6:4, tỉ lệ [TEOS]:[IPA] = 1:70 Trên sở tổng hợp thành công vật liệu nanocompozit TiO2SiO2, tiến hành chế tạo màng mỏng nanocompozit SiO2-TiO2:Ce3+, SiO2-TiO2:Al3+, SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ thu kết sau: - Đối với hệ vật liệu SiO2-TiO2:Ce3+: màng mỏng chế tạo có thay đổi tính chất tăng nồng độ pha tạp Ce3+, dịch chuyển vùng hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy (330 – 400 nm: vùng UV-A), chất lượng bề mặt đồng nhất, khơng có tượng nứt gãy, hình thành hạt có kích thước trung bình 80 – 100 nm Đối với màng có nồng độ pha tạp Ce3+ 6% thể tính siêu ưa nước, tính tốn lượng dính ướt bề mặt (∆WSVL) theo phương trình Young-Dupré Đưa mơ hình giải thích tượng dịch đỏ, siêu ưa nước hệ vật liệu - Đối với hệ vật liệu SiO2-TiO2:Al3+: màng mỏng chế tạo có độ truyền qua tốt (80 – 90%) vùng ánh sáng nhìn thấy (400 – 800 nm), bề mặt màng đồng với nồng độ pha tạp Al3+ thấp Khi tăng nồng độ pha tạp Al3+, khơng có tượng dịch chuyển vùng hấp thụ, chất lượng bề mặt giảm, có tượng bề mặt nứt, gãy - Đối với hệ đồng pha tạp SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+: màng mỏng chế tạo có độ truyền qua giảm (70 – 80%) vùng nhìn thấy (400 – 800 nm), có dịch chuyển vùng hấp thụ Tuy nhiên, chất lượng bề mặt kém, sau xử lý nhiệt bề mặt bị nứt, bong khỏi đế thủy tinh Kết chưa đạt được: 04 hệ vật liệu compozit SiO2-TiO2, SiO2TiO2:Ce3+, SiO2-TiO2:Al3+, SiO2-TiO2:Ce3+,Al3+ có độ cứng theo thang Mohs 6, chưa đạt yêu cầu cho ứng dụng đá thạch anh nhân tạo (độ cứng Mohs ≥ 7) Định hướng nghiên cứu Chúng chế tạo thành công màng mỏng TiO2-SiO2 pha tạp ion Ce3+, Al3+ đồng pha tạp Ce3+, Al3+ có độ truyền qua tốt vùng ánh sáng nhìn thấy có khả hấp thụ tia UV-A Với mục đích ứng dụng làm màng phủ đá nhân tạo gốc thạch anh nên vật liệu nanocompozit TiO2-SiO2 pha tạp Ce3+, Al3+ đồng pha tạp Ce3+, Al3+ cần nghiên cứu chi tiết theo 47 hướng: - Tiếp tục nghiên cứu cải thiện độ bền học màng vật liệu - Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác, tự làm sạch, chống khuẩn hệ vật liệu compozit SiO2-TiO2:Ce3+ - Nghiên cứu phát triển ứng dụng dựa hệ vật liệu nanocompozit silica-titania lên bề mặt đá nhân tạo nguồn gốc thạch anh 48 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ T T Q Nhu, H T Huong, C X Thang, and P T Huy, “Super-hydrophilic Cedoped silica-titania nanocompozit films by a sol-gel method for application to the surface of quartz-based engineered stone” (Kỷ yếu Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 11 (SPMS 2019), p.474) 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dascalescu, T., L Todan, A Rusu, S Preda, C Andronescu, D C Culita, C Munteanu, and M Zaharescu, “Nanosized Al2O3-TiO2 oxide powder with enhanced porosity obtained by sol-gel method,” Rev Roum Chim., vol 59, no 2, pp 125–134, 2014 [2] Egerton, T A., “Uv-absorption-the primary process in photocatalysis and some practical consequences,” Molecules, vol 19, no 11, pp 18192– 18214, 2014 [3] Erdural, B., U Bolukbasi, and G Karakas, “Photocatalytic antibacterial activity of TiO2-SiO2 thin films: The effect of composition on cell adhesion and antibacterial activity,” J Photochem Photobiol A Chem., vol 283, pp 29–37, 2014 [4] Fang, Q and X Liang, “CeO2-Al2O3, CeO2-SiO2, CeO2-TiO2 core-shell spheres: Formation mechanisms and UV absorption,” RSC Adv., vol 2, no 12, pp 5370–5375, 2012 [5] Fazeli, M., J P Florez, and R A Simão, “Improvement in adhesion of cellulose fibers to the thermoplastic starch matrix by plasma treatment modification,” Compos Part B Eng., vol 163, pp 207–216, 2019 [6] Haggerty, J E S., L T Schelhas, D A Kitchaev, J S Mangum, L M Garten, W Sun, K H Stone, J D Perkins, M F Toney, G Ceder, D S Ginley, B P Gorman, and J Tate, “High-fraction brookite films from amorphous precursors,” Sci Rep., vol 7, no 1, p 15232, 2017 [7] Hench, L L and J K West, “The Sol-Gel Process,” Chem Rev., vol 90, no 1, pp 33–72, 1990 [8] Hendrix, Y., A Lazaro, Q Yu, and J Brouwers, “Titania-Silica Composites: A Review on the Photocatalytic Activity and Synthesis Methods,” World J Nano Sci Eng., vol 05, no 04, pp 161–177, 2015 [9] Jaroenworaluck, A., N Pijarn, N Kosachan, and R Stevens, “Nanocomposite TiO2-SiO2 gel for UV absorption,” Chem Eng J., vol 181–182, pp 45–55, 2012 [10] Jesus, M A M L de, J T da S Neto, G Timò, P R P Paiva, M S S Dantas, and A de M Ferreira, “Superhydrophilic self-cleaning surfaces based on TiO2 and TiO2/SiO2 composite films for photovoltaic module cover glass,” Appl Adhes Sci., vol 3, no 1, pp 1–9, 2015 [11] José-Yacamán, M., L Rendón, J Arenas, and M C Serra Puche, “Maya blue paint: An ancient nanostructured material,” Science (80)., vol 273, no 5272, pp 223–225, 1996 [12] Koao, L F., H C Swart, R I Obed, and F B Dejene, “Synthesis and 50 characterization of Ce3+ doped silica (SiO2) nanoparticles,” J Lumin., vol 131, no 6, pp 1249–1254, 2011 [13] Kumar, A., N Yadav, M Bhatt, N K Mishra, P Chaudhary, and R Singh, “Sol-Gel Derived Nanomaterials and It’s Applications: A Review,” Res J Chem Sci ISSN 2231-606X, vol 5, no 12, pp 98–105, 2015 [14] Levchuk, I., M Kralova, J J Rueda-Márquez, J Moreno-Andrés, S Gutiérrez-Alfaro, P Dzik, S Parola, M Sillanpää, R Vahala, and M A Manzano, “Antimicrobial activity of printed composite TiO2/SiO2 and TiO2/SiO2/Au thin films under UVA-LED and natural solar radiation,” Appl Catal B Environ., vol 239, pp 609–618, 2018 [15] Maon, L., (2013), “Mohs' Scale of Hardness” J Chem Inf Model., vol 53, no 9, pp 1689–1699, 2013 [16] Mufti, N., I K R Laila, Hartatiek, and A Fuad, (2017), “The effect of TiO2 thin film thickness on self-cleaning glass properties,” J Phys Conf Ser., vol 853, no 1, 2017 [17] Pandurang Dhawale, V., “Synthesis and Characterization of Aluminium Oxide Nanoparticles and its Application in Azodye Decolourisation,” Int J Environ Chem., vol 2, no 1, p 10, 2018 [18] Ragesh, P., V Anand Ganesh, S V Nair, and A S Nair, “A review on ‘self-cleaning and multifunctional materials,’” J Mater Chem A, vol 2, no 36, pp 14773–14797, 2014 [19] Rahimi, N., R A Pax, and E M A Gray, “Review of functional titanium oxides I: TiO2 and its modifications,” Prog Solid State Chem., vol 44, no 3, pp 86–105, 2016 [20] Reinhart, T., “Overview of composite materials” pp 1–2, 1998 [21] Sakamoto, H., J Qiu, and A Makishima, “The preparation and properties of CeO2-TiO2 film by sol-gel spin-coating process,” Sci Technol Adv Mater., vol 4, no 1, pp 69–76, 2003 [22] Seshan, K., Handbook of Thin Film Deposition Techniques Principles, Methods, Equipment and Applications, Second Editon, 2002 [23] Shi, C., O L G Alderman, D Berman, J Du, J Neuefeind, A Tamalonis, J K R Weber, J You, and C J Benmore, “The structure of amorphous and deeply supercooled liquid alumina,” Front Mater., vol 6, no March, pp 1–15, 2019 [24] Sun, S., T Deng, H Ding, Y Chen, and W Chen, “Preparation of nanoTiO2-coated SiO2 microsphere composite material and evaluation of its self-cleaning property,” Nanomaterials, vol 7, no 11, 2017 [25] Sun, X., C Li, L Ruan, Z Peng, J Zhang, J Zhao, and Y li, “Ce-doped 51 SiO2@TiO2 nanocomposite as an effective visible light photocatalyst,” J Alloys Compd., vol 585, pp 800–804, 2014 [26] Sun, X., C Li, L Ruan, Z Peng, J Zhang, J Zhao, Y li, L Laino, M Cicciù, L Fiorillo, S Crimi, A Bianchi, G Amoroso, I P Monte, A S Herford, G Cervino, A A Eshaghi, A A Eshaghi, M Järn, Q Xu, M Lindén, M Tsega, F B Dejene, N Rahimi, R A Pax, E M A Gray, A (Universitatis ouluensis) Popov, Y Yao, N Zhao, J J Feng, M M Yao, F Li, C G C Gopinathan, M A M L de Jesus, J T da S Neto, G Timò, P R P Paiva, M S S Dantas, A de M Ferreira, and F Watanabe, “Ce-doped SiO2@TiO2 nanocomposite as an effective visible light photocatalyst,” J Alloys Compd., vol 585, no 4, pp 800–804, 2013 [27] Tian, Z., H Hu, and Y Sun, “A molecular dynamics study of effective thermal conductivity in nanocomposites,” Int J Heat Mass Transf., vol 61, no 1, pp 577–582, 2013 [28] Tsega, M and F B Dejene, “Structural and optical properties of Ce-doped TiO2 nanoparticles using the sol-gel process,” ECS J Solid State Sci Technol., vol 5, no 2, pp R17–R20, 2016 [29] Vázquez-Velázquez, A R., M A Velasco-Soto, S A Pérez-García, and L Licea-Jiménez, “Functionalization effect on polymer nanocomposite coatings based on TiO2–SiO2 nanoparticles with superhydrophilic properties,” Nanomaterials, vol 8, no 6, 2018 [30] Watanabe, F., “Composite resin.,” Nihon Shika Ishikai Zasshi, vol 24, no 5, p 483, 1971 [31] Xie, K., Q Jia, Y Wang, W Zhang, and J Xu, “The electronic structure and optical properties of Anatase TiO2 with rare earth metal dopants from first-principles calculations,” Materials (Basel)., vol 11, no 2, 2018 [32] Yang, J and Q Liang, “TiO2/SiO2 membrane materials via a sol–gel process: preparation and characterization calcined under N2 atmosphere” Ferroelectrics, vol 547, no 1, pp 10–20, 2019 [33] Yao, Y., N Zhao, J J Feng, M M Yao, and F Li, “Photocatalytic activities of Ce or Co doped nanocrystalline TiO2-SiO2 composite films,” Ceram Int., vol 39, no 4, pp 4735–4738, 2013 [34] Zayat, M., P Garcia-Parejo, and D Levy, “Preventing UV-light damage of light sensitive materials using a highly protective UV-absorbing coating,” Chem Soc Rev., vol 36, no 8, pp 1270–1281, 2007 [35] Zhang, M., L E, R Zhang, and Z Liu, “The effect of SiO2 on TiO2-SiO2 composite film for self-cleaning application”, Surfaces and Interfaces, vol 16, pp 194–198, 2019 52 [36] Zhang, S., D Sun, Y Fu, and H Du, “Recent advances of superhard nanocomposite coatings: A review,” Surf Coatings Technol., vol 167, no 2–3, pp 113–119, 2003 [37] Zhao, L.-Z., K Han, F Li, and M.-M Yao, “Tridoped TiO2 Composite Films for Improved Photocatalytic Activities,” Coatings, vol 9, no 2, p 127, 2019 [38] “Overview of composites,” pp 1–13, 2005 [39] El Khoury, Diana., "Electrostatic force microscopy for the accurate characterization of interphases in nanocomposites", Beilstein J Nanotechnol., vol 9, pp 2999–3012, 2018 [40] Li, Fang Li, Hui Guan, Ling xiao Yao, Ming ming, “Preparation and Photocatalytic Performance of Nano-TiO2/γ-Al2O3 Composites,” vol 25, no 14, pp 7665–7668, 2013 [41] Brinker, C and Scherer, G., "Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing”, Academic Press, INC., Boston, 1990 53 ... tài ? ?Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit silica-titania đồng pha tạp Ce3 + Al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo? ?? Mục tiêu nghiên cứu luận văn (i) Chế tạo vật liệu nanocompozit... Trần Thị Quỳnh Như Đề tài luận văn : ? ?Nghiên cứu chế tạo màng mỏng compozit SiO2- TiO2 đồng pha tạp Ce3 + Al3+ nhằm ứng dụng làm lớp phủ bề mặt đá thạch anh nhân tạo? ?? Chuyên ngành Mã số SV : Vật lý... nanocompozit SiO2- TiO2: Ce3 + với nồng độ pha tạp Ce3 + 6% ứng viên tiềm làm lớp vật liệu phủ tự làm lên bề mặt đá nhân tạo gốc thạch anh 3.1.6 Độ bền học màng Để khảo sát độ bền học màng nanocompozit