Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều các công trình nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 theo phương pháp sol-gel trên các đế mang là các vật liệu trơ như thủy tinh hoặc vật liệu hấp phụ như các oxit kim loại... Các công trình nghiên cứu này hầu hết cho kết quả rất khả quan trong xử lý các chất khí thải gây ô nhiễm không khí. Hầu hết các nghiên cứu này xuất phát từ titan hữu cơ.
Sử dụng TiO2 theo phương pháp này có ưu điểm là không cần công đoạn tách và thu hồi, tiện lợi cho sử dụng. Tuy vậy, có nhược điểm chính đó chính là kỹ thuật gắn chất xúc tác trên đế mang dưới dạng màng mỏng phức tạp. Hơn nữa, màng xúc tác có xu hướng bị bong trôi theo thời gian sư dụng nên phải định kỳ tái tạo [8].
a. Chế tạo dung dịch sol TiO2 bằng phương pháp sol-gel đi từ alkoxide kim loại
Được dùng phổ biến nhiều bởi chúng có sẵn trên thị trường và độ tinh khiết khá cao [61, 126]. Dung dịch sol TiO2 được điều chế dựa vào quá trình thủy phân và ngưng tụ của alkoxide titanium: tetraisopropylorthotitanate Ti(OC3H7)4 hoặc tetrabutylorthotitanate Ti(OC4H9)4.
32
Quá trình thủy phân và ngưng tụ tạo bột và màng TiO2 có thể được mô tả trong sơ đồ sau:
Ti(OR)4 + H2O → HO-Ti(OR)3 + ROH (23) Ti(OR)3(OH) + H2O → (HO)2-Ti(OR)2 + ROH (24) Ti(OR)2(OH)2 + H2O → (HO)3-Ti(OR) + ROH (25) Ti(OR)(OH)3 + H2O → Ti(OH)4 + ROH (26) Quá trình thủy phân xảy ra mạnh ở các mức đầu, các mức sau yếu dần. Vì thế sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ bao gồm cả 4 thành phần như trên.
Để quá trình ngưng tụ xảy ra thì dung dịch sol phải chứa các chất tiền định (precusor) (OC3H7)xTi(OH)4-x với x = 1, 2, 3.
Cả hai phản ứng thủy phân và ngưng tụ đều tham gia vào sự biến đổi alkoxide thành khung oxit, do đó cấu trúc hình thái học của các oxit thu được phụ thuộc rất nhiều vào khả năng phản ứng của hai phản ứng này. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và ngưng tụ đã được nghiên cứu trong các chương tiếp theo của luận án.
b. Chế tạo dung dịch sol TiO2 từ bột nano TiO2 thương mại (P25)
Ngoài phương pháp sol-gel đi từ phân tử alkoxide titanium ta còn có thể tạo màng TiO2 nano từ bột nano TiO2 thương mại như TiO2.P25 của Degussa (Đức). Bột TiO2.P25 có kích thước hạt cỡ 25nm và bề mặt riêng là 55 m2/g. Sử dụng phương pháp này ta có thể thu được các lớp phủ TiO2. Để tạo được lớp phủ TiO2 có độ bám dính tốt trên bề mặt đế mang ta có thể đưa vào sol TiO2 một lượng bột TiO2.P25 thích hợp.
Sol TiO2 được dùng để phủ lên đế mang, sau đó mẫu được thiêu kết.