Vật liệu nano TiO2 được tổng hợp trong mơi trường NaOH 10 M ở các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau.
Hình 3.3 là ảnh SEM của bột TiO2 chưa xử lý, kích thước của các hạt khoảng 204 nm.
Hình 3.3. Ảnh SEM của bột TiO2 chưa xử lý
Sản phẩm TiO2 thủy nhiệt ở các nhiệt độ 800C, 1000C, 1400C, 1800C trong 14 h, được ký hiệu tương ứng là T-80, T-100, T-140, T-180 đem đặc trưng bằng phương pháp SEM, TEM (Hình 3.4). Ảnh SEM (Hình 3.4) cho thấy, mẫu T-80 gồm các hạt cĩ dạng hình cầu như mẫu bột TiO2 chưa xử lý (Hình 3.3), chứng tỏ phản ứng vẫn chưa xảy ra ở 800C. Tại nhiệt độ thủy nhiệt 1000C (Mẫu T-100), sản phẩm cĩ sự hình thành các tấm mỏng nhưng chưa hồn tồn, chứng tỏ đã bắt đầu xảy ra phản ứng khi NaOH bắt đầu cắt các liên kết Ti-O-Ti. Tại các nhiệt độ thủy nhiệt 1400C và 1800C đã hình thành nên cấu trúc ống nano (các mẫu T-140 và T- 180) với đường kính cỡ 10 nm và chiều dài cỡ 500 nm. Kết quả này phù hợp với cơng bố mới của S.Kim và cộng sự [11]. Ở nhiệt độ thủy nhiệt 1800C, các ống cĩ cấu trúc đồng đều và cĩ chiều dài lớn hơn so với mẫu ở nhiệt độ thủy nhiệt 1400C,
điều này chứng tỏ phản ứng đã xảy ra hồn tồn ở lân cận nhiệt độ 1800C.
Hình 3.4. Ảnh SEM, TEM của các mẫu tổng hợp với các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau
Những phân tích trên nhận thấy, khi thủy nhiệt bột TiO2 trong mơi trường NaOH trong 14 h ở 1000C - 1800C, sản phẩm vật liệu nano TiO2 thu được cĩ hình thái khác nhau. Ở 1000C, sản phẩm là các tấm mỏng. Khoảng nhiệt độ 1400C - 1800C là thích hợp để hình thành TiO2 nano dạng ống.
Cơ chế của quá trình hình thành của ống nano TiO2 khi thủy nhiệt bột TiO2
trong mơi trường NaOH đến nay vẫn cĩ nhiều tranh cãi. Theo quan điểm Wang và các cộng sự [19], các ống nano được hình thành trước hết là do sự phân cắt các liên kết Ti-O-Ti giữa các khối bát diện bằng NaOH. Sau đĩ, các bát diện này tự liên kết và sắp xếp lại với nhau để bão hịa các liên kết dư bị đứt theo 2 hướng, một là theo hướng (100) tạo cấu trúc zic-zắc, hai là theo hướng (001) tạo các tấm mỏng. Các tấm mỏng cĩ khuynh hướng cuộn lại với nhau tạo ra các ống nano TiO2
nhằm mục đích đảm bảo các liên kết, giảm diện tích bề mặt trên cùng một đơn vị thể tích và cĩ lợi về mặt năng lượng (Hình 3.5).
T-80
T-100
T-140
Hình 3.5. Cơ chế hình thành ống nano
Cịn quan điểm của Kasuga và cộng sự cho rằng, ống nano TiO2 được hình thành ở giai đoạn rửa axit lỗng và nước cất. Quá trình hình thành nano TiO2 dạng ống như sau: khi bột TiO2 thủy nhiệt với dung dịch NaOH, một vài liên kết Ti-O-Ti bị bẽ gãy tạo liên kết Ti-O-Na, Ti-O-H. Các liên kết mới Ti-O-Ti do các liên kết Ti-O-Na, Ti-O-H phản ứng với dung dịch HCl và nước cất hình thành. Liên kết Ti-OH cĩ thể tạo nên dạng tấm. Các liên kết Ti-O-Ti hoặc các liên kết Ti-O…H-O-Ti được sinh ra nhờ quá trình hidrat hĩa các liên kết Ti-O-H trong dung dịch HCl. Khoảng cách Ti-Ti trên bề mặt nguyên tử giảm, kết quả các tấm cuộn lại và hình thành cấu trúc ống [10]. Theo Du và các cộng sự cho rằng, các nano TiO2 dạng ống hình thành ở giai đoạn xử lý TiO2 trong mơi trường kiềm [6].