Ứng dụng titan dioxide kích thước nanomet biến tính trong chuyển đổi năng lượng mặt trời
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIÔXIT KÍCH THƯỚC NANO MÉT BIẾN TÍNH 1. Các kiểu titan đioxit biến tính
Tổng hợp vật liệu TiO 2 biến tính
Choi cùng các cộng sự đã thực hiện nhiều nghiên cứu một cách hệ thống về quá trình biến tính TiO2 kích thước nano mét với 21 ion kim loại bằng phương pháp sol-gel và nhận thấy sự có mặt của các kim loại này trong thành phần của TiO2 gây ảnh hưởng đáng kể tới hoạt tính quang học, tốc độ tái kết hợp các vật liệu tải, và tốc độ chuyển electron bề mặt. Trong phương pháp này, người ta đã nhận thấy anatase, brookite, và một lượng nhỏ hematit cùng tồn tại ở pH thấp (1,8 đến 3,6) khi đó hàm lượng của Fe(III) thấp, khoảng bằng 0,5% và sự sắp xếp của ion sắt không đồng nhất giữa các phần của hỗn hợp, nhưng khi tăng pH cao hơn (6,0), dung dịch rắn đồng nhất của sắt và titan lại được hình thành [41].
Vật liệu TiO 2 biến tính lưu huỳnh
Trong bài báo này, tác giả đã chứng minh được rằng trong chất xúc tác quang S – TiO2 đã điều chế, một số nguyên tử S tồn tại ở bề mặt tinh thể như cation S4+ và S6+, thay thế ion Ti trên bề mặt tinh thể và các nguyên tử lưu huỳnh vào trong mạng lưới tinh thể TiO2 như S2- thay thế oxi ở bên trong mạng lưới tinh thể TiO2 [43]. + Chất xúc tác quang TiO2 doping S có hoạt tính cao dưới ánh sáng nhìn thấy được điều chế bằng phương pháp sol – gel sử dụng Titan (IV) isopropoxit và thioure: Titan (IV) isopropoxit (4,65 ml) được thủy phân sử dụng 8,95 ml axit acetic băng ở 0oC; 98,75 nước được thêm từ từ vào dưới điều kiện khuấy mạnh khoảng 1h, sau đó dung dịch được rung siêu âm khoảng 15 phút trong bình đá và tiếp tục khuấy thêm 4,5h.
CÁC ỨNG DỤNG CỦA TiO 2 VÀ TiO 2 BIẾN TÍNH KÍCH THƯỚC NANO MÉT
Hầu hết các tài liệu đều chỉ ra rằng TiO2 dạng bột kích thước nano mét có cấu trúc anatase có hoạt tính xúc tác cao nhất [10]. Sản lượng TiO2 sử dụng hàng năm trong lĩnh vực quang xúc tác (hình 6). Nhìn vào hình 6 ta có thể thấy lượng TiO2 sử dụng cho lĩnh vực quang xúc tác chiếm gần 50% trong những ứng dụng của TiO2 và tăng dần theo thời gian [41]. Hình 6: Lượng TiO2 sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác. Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường. Khi titan thay đổi hóa trị tạo ra cặp điện tử - lỗ trống ở vùng dẫn và vùng hóa trị dưới tác dụng của ánh sáng cực tím chiếu vào. Những cặp này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động để tiếp tục oxi hóa các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước ít độc hại nhất. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, chất dẻo. TiO2 còn được sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, tên chính xác của loại này là sơn quang xúc tác TiO2. Do tinh thể TiO2 có thể lơ lửng trong dung dịch mà không lắng đọng nên còn được gọi là sơn huyền phù TiO2. Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt. Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên như sau: Sau khi các vật liệu được đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong không khí, TiO2 sẽ hoạt động như một chất xúc tác để phân huỷ bụi, rêu, mốc, khí độc hại, hầu. hết các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2. TiO2 không bị tiêu hao trong thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác không tham gia vào quá trình phân huỷ. Cơ chế của hiện tượng này có liên quan đến sự quang - oxi hoá các chất gây ô nhiễm trong nước bởi TiO2. bám chặt vào sơn có thể bị oxi hoá bằng cặp điện tử - lỗ trống được hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và như vậy chúng được làm sạch khỏi màng sơn. Điều gây ngạc nhiên là chính lớp sơn không bị tấn công bởi các cặp oxi hoá - khử mạnh mẽ này. Người ta phát hiện ra rằng, chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không được biến tính bằng các hạt nano TiO2. Khi TiO2 bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp giải phóng các điện tử hoạt động. Các ion kim loại nặng sẽ bị khử bởi điện tử và kết tủa trên bề mặt vật liệu. Vật liệu xúc tác quang bán dẫn công nghệ mới hứa hẹn nhiều áp dụng trong xử lý môi trường. Chất bán dẫn kết hợp với ánh sáng UV đã được dùng để loại các ion kim loại nặng và các hợp chất chứa ion vô cơ. Ion bị khử đến trạng thái ít độc hơn hoặc kim loại từ đó dễ dàng tách được. Đa số chúng đều kết tủa trên bề mặt vật liệu. Ngoài sự khử bằng điện tử, các ion còn bị oxi hóa bởi lỗ trống trên bề mặt tạo oxit. Những chất kết tủa hoặc hấp phụ trên bề mặt được tách ra bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học. Các ứng dụng khác của bột titan đioxit kích thước nano mét. TiO2 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Vật liệu gốm, chất tạo màu, chất độn, làm vật liệu chế tạo pin mặt trời, làm sensor để nhận biết các khí trong môi. không cần hoá chất), làm vật liệu sơn trắng do khả năng tán xạ ánh sáng cao, bảo vệ bề mặt khỏi tác động của ánh sáng.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [12]
Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit
Trong luận văn này tác giả thử hoạt tính quang xúc tác của bột TiO2 biến tính lưu huỳnh kích thước nm điều chế được thông qua khả năng phân hủy màu dung dịch xanh metylen. Sau đó cân một lượng chính xác bột TiO2 đã điều chế được lượng phù hợp cho từng thí nghiệm rồi cho vào cốc phản ứng đã chứa 200 ml dung dịch xanh metylen nồng độ 10 mg/l. So sánh mật độ quang của dung dịch xanh metylen trước và sau khi qua thiết bị và từ đó xác định được phần trăm lượng chất bị phân hủy và đánh giá được khả năng xúc tác của bột TiO2.
Phương pháp TEM
Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua cho biết nhiều chi tiết nano của mẫu nghiên cứu: Hình dạng, kích thước hạt, biên giới hạt, v.v… Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kính hiển vi điện tử truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử trong mẫu, theo dừi được cỏch sắp xếp đú trong chi tiết từng hạt, từng diện tớch cỡ àm2 và nhỏ hơn. Các loại kính hiển vi điện tử hiện đại còn trang bị thêm các phương tiện để phân tớch thành phần hoỏ học của mẫu ở từng diện tớch nhỏ hơn àm2 ở những lớp chỉ vài ba nguyên tử bề mặt [3].
MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 1. Mục đích của luận văn
THỰC NGHIỆM 2.1. HểA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Dùng pypet thật khô lấy lượng chính xác TiCl4 sau đó nhỏ từ từ từng giọt vào cốc nước lạnh đang khuấy trộn để hạn chế sự thuỷ phân ở nhiệt độ phòng. Sản phẩm được cân để xác định khối lượng và tính hiệu suất quá trình điều chế, sau đó chụp XRD để xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình, thử quang xúc tác để xác định hiệu suất phân hủy xanh metylen, chụp ảnh TEM để biết được hình ảnh chân thực của hạt. Sản phẩm được cân để xác định khối lượng và tính hiệu suất quá trình điều chế, sau đó chụp XRD để xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình, thử quang xúc tác để xác định hiệu suất phân hủy xanh metylen, chụp ảnh TEM để biết được hình ảnh chân thực của hạt.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Phương pháp XRD
Từ vị trí các pic đặc trưng trên giản đồ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định một cách dễ dàng thành phần pha của vật liệu TiO2 điều chế được là anatase hay rutile hay hỗn hợp hai pha, mặt khác ta cũng tính được tỉ lệ giữa các pha. Hoạt tính quang xúc tác của sản phẩm được thử bằng cách trộn 0.15 g bột sản phẩm với 200 ml dung dịch xanh metylen 10mg/l, sau đó khuấy hỗn hợp 30 phút trong bóng tối để đạt đến cân bằng hấp phụ, tiếp tục khuấy trong 3h dưới bức xạ của đèn compact công suất 40 W. Nồng độ xanh metylen trước và sau phản ứng được xác định bằng phương pháp đo quang ở bước sóng λ = 663 nm, trên máy Spectrophotometer 1650PC SHIMADZU tại khoa Hóa – Đại học Khoa học Tự nhiên.