Khi màng TiO2 được kích thích bởi nguồn sáng có bước sóng < 388 nm sẽ có sự dịch chuyển điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn làm xuất hiện đồng thời cặp điện tử (e-) và lỗ trống (h+) ở vùng dẫn và vùng hoá trị.
TiO2 + hv → TiO2(e- + h+) (17) Những cặp điện tử và lỗ trống này sẽ dịch chuyển tới bề mặt hạt vật liệu TiO2 để thực hiện các phản ứng oxi hoá.
+ Tại vùng dẫn: xảy ra sự khử Ti4+ về Ti3+.
+ Tại vùng hoá trị: xảy ra sự oxy hoá O2- thành O2. Cơ chế về tính siêu ưa nước của TiO2 (hình 1.9):
18
Hiện tượng này được giải thích dựa trên giả thuyết rằng có sự tạo ra các lỗ trống thiếu oxy (oxygen vacancies). Nguyên nhân của sự hình thành các lỗ trống này là do dưới tác dụng của ánh sáng kích thích, các điện tử chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn, tại miền hóa trị có sự oxy hóa hai nguyên tử oxy của tinh thể TiO2 thành oxy tự do và tại miền dẫn có sự khử Ti4+ thành Ti3+. Hiện tượng này chỉ xảy ra với các phân tử bề mặt, cứ 4 phân tử TiO2 lại giải phóng một phân tử oxy, hình thành trên bề mặt một mạng lưới các lỗ trống (vacant net).
4 3 2 2 4 2 e Ti Ti h O O (18) Khi có nước trên bề mặt, các phân tử nước nhanh chóng chiếm chỗ các lỗ trống, mỗi phân tử chiếm một lỗ trống bằng chính nguyên tử oxy của nó và quay hai nguyên tử hyđro ra ngoài, và bề mặt ngoài lúc này hình thành một mạng lưới hydro.
Chúng ta biết rằng sở dĩ chất lỏng có hình dạng của bình chứa là do lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng yếu hơn giữa các phân tử chất rắn. Phân tử nước là phân tử phân cực với phần tích điện âm là nguyên tử oxy và phần tích điện dương là nguyên tử hydro. Giữa các phân tử nước có liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử oxy và nguyên tử hydro. Như vậy nhờ chính lực liên kết hydro giữa lớp "ion hydro bề mặt" và các "ion oxy" của nước mà giọt nước được kéo mỏng ra, tạo lên hiện tượng siêu thấm ướt.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, nghiên cứu sinh chế tạo ra màng mỏng trong suốt TiO2 phủ trên gốm sứ, bao gồm việc chế tạo ra màng mỏng mà trong giai đoạn đầu được gọi là “màng gel”, bao gồm các hạt oxit kim loại kích thước nano mét TiO2, được chế tạo ra từ pha gel. Ta sẽ thu được các hạt tinh thể TiO2 cấu trúc anatase phân tán trong PEG, sau khi phủ màng, các hạt nano TiO2 sẽ bám trên bề mặt màng mỏng và bám dính vào bề mặt gốm sứ. Phương pháp chế tạo này có thể dùng để chế tạo ra màng mỏng trong suốt mới, có hoạt tính quang xúc tác cao, có tính kỵ nước và do vậy, có tính tự làm sạch và diệt khuẩn, diệt nấm tốt.
Các màng mỏng phủ trên gốm này cần phải trong suốt, để bảo toàn mầu sắc gốc của gốm sứ sản phẩm ban đầu. Các màng này được chế tạo từ các hạt TiO2 kết tinh dạng pha tinh thể anatase, có kích thước nano mét và các màng này được tạo ra bằng
19
phương pháp phun phủ (spray) trên bề mặt gốm sứ. Các màng mỏng sau khi được chế tạo và xử lý nhiệt, sẽ được xác định một số tính chất vật lý của màng, xác định độ dầy màng và tính kỵ nước. Hoạt tính quang xúc tác kháng khuẩn của các màng TiO2 chế tạo từ các sol chứa các hạt TiO2 sẽ được so sánh khi màng này được chiếu đèn tử ngoại UV với phổ phát xạ có bước sóng cực đại cỡ 360 nm và đèn phát ánh sáng tự nhiên ban ngày.