Xem giọt nước trên bề mặt đế là một phần của hình cầu. Để tính góc tiếp xúc của nước với màng, ta vẽ một đường tròn bao quanh chỏm cầu. Góc tiếp xúc của giọt nước với màng là góc θ hợp bởi tiếp tuyến của đường tròn tại chân của giọt nước với bề mặt màng (hình 2.12).
Khi xác định được chiều cao b của giọt nước và bán kính r của hình tròn, dễ dàng tính được góc nước θ: θ = 90 - tan-1 2 2rb b b r − − ) (2.15)
Thực tế, góc nước đo được nhờ thước đo góc (được hiển thị trên màn hình máy tính nhờ phần mềm đo góc). Quá trình đo được tiến hành theo các bước sau đây:
- Khi màng chưa được chiếu ánh sáng (UV hoặc khả kiến), nhỏ một giọt nước trên bề mặt màng và đo góc θo.
Hình 2.12. Cách xác định góc nước trên bề mặt màng.
- Lau khô giọt nước, rồi chiếu ánh sáng vào màng một khoảng thời gian xác định để tạo các trạng thái khuyết O.
- Sau đó, màng được nhỏ giọt nước lên bề mặt (thể tích của giọt nước trong mỗi lần đo là như nhau) và dùng camera kỹ thuật số có độ phóng đại 10 – 20 lần để chụp ảnh giọt nước. Dùng phần mềm xử lý ảnh để tính góc θi của giọt nước.
- Giọt nước lại được lau khô và sau đó tiếp tục chiếu ánh sáng vào màng với khoảng thời gian dài hơn, rồi lại đo góc nước. Quá trình tiếp tục lặp lại với các khoảng thời gian chiếu sáng tăng dần, … cho đến khi góc θi < 10o.
Như vậy, bề mặt được xem là có tính siêu thấm ướt nước trong quá trình bị chiếu sáng, khi góc nước θi < 10o sau thời gian chiếu sáng thích hợp. Nhờ đồ thị biểu diễn sự thay đổi của góc nước θ theo thời gian chiếu sáng t, có thể đánh giá được tính siêu thấm ướt nước của màng.
CHƯƠNG III.
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỰC NGHIỆM TẠO MÀNG VÀ HỆ ĐO TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC. 3.1. Chế Tạo Màng Bằng Phương Pháp Đồng Phún Xạ Magnetron Không Cân
Bằng.
3.1.1. Lắp ráp hệ giá đỡ đồng phún xạ.
Chúng tôi sử dụng hệ phún xạ chân không ở phòng thí nghiệm Quang - Quang Phổ, bộ môn Vật lý Ứng dụng thuộc Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP. HCM để tạo màng.
Hình 3.1. Hệ chân không dùng để tạo màng
Trong quá trình thiết kế, chúng tôi đã chú ý đến những vấn đề sau: phát huy tối
đa các phương cơ động có thể, góc nghiêng tối thiểu cần có của hệ magnetron, kích thước của hệ magnetron và kích thước buồng chân không.
Những vật liệu chúng tôi dùng toàn bộ là inox 304, được đúc theo những dạng khuôn mẫu có sẵn như: LAP 3.0mm, ống 5mm - 8mm, ty 6mm. Quá trình được thực hiện theo các bước sau:
Hình 3.3. Sơ đồ tiến hành xây dựng giá đỡ.
Thiết kế mô hình tổng quát
Đo đạc lấysố liệu
Cắt LAP và ống theo số liệu kích thước đã đo đạc Hàn nối các bộ phận theo mô
hình vẽ sẵn
Lắp ráp hệ hoàn chỉnh
Đế được đặt trong vùng plasma phủ lên nhau, do TiO2 đóng vai trò thành phần chính nên đế được đặt lệch về phía bia TiO2, bia V nghiêng về phía bia TiO2 và pháp tuyến của 2 mặt bia phải hợp với nhau một góc lệch θo nào đó. Trong đề tài này, chúng tôi lần lượt thay đổi góc nghiêng θo để tìm ra góc nghiêng tốt nhất cho việc tạo màng. Mức độ vùng plasma của 2 bia phủ lên nhau còn tùy thuộc vào độ cao đặt đế và bản chất của từng loại bia phún xạ. Thí nghiệm được bố trí như hình 3.5:
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí bia - đế của hệ đồng phún xạ.
Đồng phún xạ phản ứng là một phương pháp tạo màng tương đối mới trên thế giới cũng như đối với nước ta. Chính vì vậy mà những cơ sở lý thuyết cho phương pháp này còn rất hạn chế. Ở đây chúng tôi chỉ có thể đưa ra một số điểm cần lưu ý trong cách tiến hành mà chúng tôi rút ra được trong quá trình thực nghiệm cùng với điều kiện vật chất mà hiện chúng tôi đang có.
3.1.2. Quy trình tạo màng.Gồm các bước sau : Gồm các bước sau : Chuẩn bị đế. Xử lí bề mặt đế. Xử lí bề mặt bia. Phủ màng.
* Chuẩn bị đế: Đế phải có bề mặt bằng phẳng, không trầy xước và sạch. Loại đế được sử dụng là đế thủy tinh thông thường có kích thước 75x25x1.1mm3.
Đế thủy tinh kính ảnh có bề mặt đồng đều và không chứa các loại kim loại kiềm nên thích hợp cho việc nghiên cứu ở nhiệt độ ủ nhiệt dưới 450oC.
* Xử lí bề mặt đế: Một trong những vấn đề quan trọng khi tạo màng mỏng là đảm bảo độ bám dính giữa màng và đế, vì vậy bề mặt của đế phải thật sạch, không có tạp chất bẩn.
* Xử lí đế bên ngoài hệ phún xạ:
Bước 1: Trước hết rửa sạch đế bằng xà phòng, ngâm nó trong dung dịch xà phòng trong 10 phút.
Bước 2: Rửa đế bằng nước lạnh thật sạch, sau đó cho đế vào ngâm nước cất và đánh siêu âm 15 phút bằng máy siêu âm.
Bước 3: Lập lại bước 1 và bước 2 thêm 1 lần nữa.
Bước 4: Cho đế vào ngâm axeton công nghiệp và đánh siêu âm 15 phút bằng máy siêu âm.
* Xử lí bề mặt bia.
Bia là kim loại Ti có kích thước là 75mm x 75mm và có độ tinh khiết 99%. Bia được xử lý bề mặt trong môi trường khí Argon ở áp suất trong buồng khoảng 10-3 torr bằng cách cho phún xạ làm sạch bề mặt bia khoảng 5 phút. Trong khi đó, đế được giữ sạch bằng cách cách ly với hệ magnetron.
* Phủ màng.
Hình 3.6: Hình ảnh hệ đồng phún xạ đang hoạt động.
Màng phủ trên đế thủy tinh, được đặt song song với bia TiO2 trong suốt quá trình phún xạ với khoảng cách giữa bia và đế được chúng tôi khảo sát và thay đổi từ 5cm – 10cm.
Khí làm việc là Argon pha ôxy. Chúng được cũng thay đổi tỉ lệ khí O2/Ag lần lượt là 10%, 20% và 30% để khảo sát tính chất màng hợp trong bình nén khí và được đưa vào buồng chân không bằng hệ van kim.
Quá trình tạo màng được tiến hành với sự thay đổi các điều kiện chế tạo màng: áp suất phún xạ, dòng phún xạ, thế phún xạ, tỉ lệ khí, khoảng cách bia – đế, góc nghiêng θo giữa 2 hệ magnetron…
3.2. Thiết Kế Và Xây Dựng Hệ Đo Tính Năng Quang Xúc Tác Của Màng.
Mô hình tổng quát của hệ đo tính năng quang xúc tác của màng được thiết kế như hình 3.7.
3.2.1. Pha dung dịch methylene blue (MB).
Như trình bày trong chương II, MB là chất được dùng để đánh giá khả năng quang xúc tác của màng.
* Cách pha dung dịch MB: Dùng cân điện tử cân 0.3mg MB sau đó đem hòa tan với 300ml nước cất, được dung dịch MB có nồng độ 1ppm với độ hấp thụ ban đầu tại bước sóng 662nn vào khoảng A0= 0,210. Dung dịch này được đậy cẩn thận sau khi pha để tránh bay hơi và làm thay đổi nồng độ của dung dịch.
3.2.2. Sơ đồ bố trí hệ đo tính năng quang xúc tác của màng TiO2 và TiO2 pha tạp dưới ánh sáng tử ngoại. dưới ánh sáng tử ngoại.
* Bố trí hệ đo:
Hình 3.8. Bố trí hệ đo tính năng quang xúc tác của màng TiO2 và TiO2 pha tạp dưới ánh sáng tử ngoại.
Hình 3.7. Mô hình tổng quát của hệ đo tính năng quang xúc tác của màng
Chúng tôi dùng 1 đèn chiếu bước sóng tử ngoại là đèn tuýp hơi thủy ngân, phổ ánh sáng phát ra làm phổ vạch của thủy ngân. đặt vuông góc và cách giá đặt mẫu 10cm. Máy đo độ hấp thụ Asb là máy UV-VIS ở Phòng thí nghiệm quang phổ.
* Các bước thực hiện đo:
- Màng TiO2 và TiO2 pha tạp được cắt ra thành những mẫu có kích thước 25x25mm2. Sau đó được lau sạch bằng axêtôn và sấy khô.
- Dùng 1 khay thủy tinh nhỏ để đặt màng vào trong, sau đó ngâm màng trong dung dịch 10ml dd MB nồng độ 1ppm với độ hấp thụ ban đầu tại bước sóng 662nm vào khoảng A0= 0,210.
- Khi ngâm màng trong dung dịch, bề mặt có màng phải hướng lên trên để dễ dàng tiếp xúc với dung dịch.
- Chiếu bước sóng tử ngoại vào khay đựng màng và dung dịch, cứ sau 30 phút ta lại lấy dung dịch ngâm màng ra đo độ hấp thu A tại thời gian đó.
- Lấy A/A0 ta sẽ có kết quả về nồng độ MB sau khoảng thời gian chiếu, từ đó suy ra được tốc độ và khả năng phân hủy chất hữu cơ (MB) của màng.
3.2.3. Hệ đo tính năng siêu thấm ướt nước của màng.* Mô hình chung: * Mô hình chung:
Màng
Mô hình tổng quát và hình ảnh của hệ đo tính năng siêu thấm ướt nước của màng được thể hiện trên hình 3.9.
- Ống nhỏ giọt nước: là loại ống bơm tiêm có thể tích 10ml. Lưu ý: thể tích giọt nước cho mỗi lần nhỏ lên bề mặt màng phải như nhau cho mỗi lần đo.
- Phần mềm FTA32: là phần mềm có thể tính được góc thấm ướt (tính bằng độ), sức căng giọt nước (mN/m), chiều dài giọt nước (mm), chiều cao giọt nước (mm), diện tích phần chỏm của giọt nước (mm2), thể tích giọt nước (μl).
* Các bước thực hiện đo:
- Màng được lau sạch bằng axêtôn và sấy khô.
- Dùng ống nhỏ một giọt nước lên màng. Chụp ảnh giọt nước bằng kính hiển vi số Dino-Lite. Sử dụng phần mềm FTA32 để xác định góc nước ban đầu θo.
- Lau khô giọt nước trên bề mặt màng bằng khăn sạch và sau đó, màng được chiếu sáng. Sau mỗi khoảng thời gian 30 phút chiếu sáng, màng được tiếp tục nhỏ một giọt nước lên bề mặt và lại đo góc nước θi.
* Cách đo góc thấm ướt bằng phần mềm FTA32:
- Ảnh chụp được bằng kính hiển vi số Dino-Lite được mở bằng phần mềm FTA32 (cài đặt sẵn trên máy tính) bằng cách, mở phần mềm FTA32, chọn file, chọn Import Image, chỉ đường dẫn của file ảnh đã chụp, chọn ok. Lúc này, trên màn hình sẽ xuất hiện như hình 3.10.
- Vẽ một đường cong bao quanh giọt nước (bằng cách dùng chuột trái) và đường thẳng tại mặt phân cách của giọt nước và đế (bằng cách dùng chuột phải).
- Click chuột trái vào ô Contact Angle nằm phía bên trái của màn hình để xem kết quả đo góc.
Ngoài ra, việc xác định góc nước trên màng bằng phần mềm FTA32 cho kết quả tương đương như dùng thước đo góc được hiển thị trên máy tính.
* Sai số của phép đo góc thấm ướt.
Chúng tôi thực hiện phép đo góc thấm ướt ban đầu (khi chưa được chiếu ánh sáng tử ngoại) trên cùng 1 mẫu M63. Kết quả đo góc sau 5 lần thực hiện với khoảng cách giữa các lần đo là 10 phút .
Xác định đường cong giọt nước
Xác định đường thẳng ở mặt phân cách
Vị trí click chuột
Bảng 3.1. Bảng số liệu các lần đo góc nước trên hệ đo. Lần đo θ (độ) 1 73.1 4.5 2 76.7 0.9 3 78.2 0.6 4 79.8 2.2 5 80.4 2.8 = 77.6 = 2.2
Sai số hệ đo ∆θ = + ∆θDC = 2.2 + 0.1 = 2.3 (∆θDC: sai số dụng cụ đo là 0.1)
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.
Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu điều kiện tối ưu để chế tạo màng quang xúc tác TiO2 và TiO2:V trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) bằng phương pháp phún xạ magnetron DC, cụ thể:
- Đối với TiO2, chúng tôi khảo sát màng với các sự thay đổi điều kiện sau: khoảng cách bia-đế, công suất phún xạ của bia Ti, nhiệt độ đế.
- Đối với TiO2:V, chúng tôi khảo sát màng với các sự thay đổi điều kiện sau: công suất phún xạ của bia V, góc nghiêng giữa hai bia, tỉ lệ khí O2:Ar.
4.1. Khảo Sát Tính Chất Quang Xúc Tác Của TiO2.
4.1.1. Khảo sát tính chất quang xúc tác của TiO2 theo sự thay đổi khoảng cách bia đế. đế.
Trong phần thực nghiệm này, các thông số tạo màng sau đây được giữ nguyên: nhiệt độ đế 200oC, thời gian phún xạ 30 phút, áp suất ~ 3.10-3 torr, tỉ lệ khí O2:Ar là 10%, công suất phún xạ bia của Ti là 100W. Chúng tôi chỉ lần lượt thay đổi khoảng cách giữa bia - đế lần lượt từ 5-9cm. Các màng được chế tạo trên đế thủy tinh thông thường.Các mẫu trên sau khi được chế tạo xong được bảo quản ở chỗ tối không để ánh sáng chiếu vào trong 2 ngày, sau đó được lấy ra để thực hiện phép đo MB trên mẫu
Bảng 4.1. Các mẫu TiO2 thuần khảo sát theo sự thay đổi khoảng cách bia đế.
Mẫu p(torr) Ts(oC) t(phút) O2:Ar(%) h(cm) I1(A) V1(V) P1(W)
M19 3x10-3 200 30 10 4 0.350 400 100 M4 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 100 M5 3x10-3 200 30 10 6 0.350 400 100 M6 3x10-3 200 30 10 7 0.350 400 100 M7 3x10-3 200 30 10 8 0.350 400 100 M8 3x10-3 200 30 10 9 0.350 400 100
Hình 4.1. Kết quả đo MB của các mẫu trong Bảng 4.1.
*Bàn luận.
Khi khoảng cách bia đế càng nhỏ, năng lượng của các hạt lên đế càng lớn, màng thu được sẽ có độ kết tinh cao. Khi đó, sự tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra rất ít (hay thời gian sống của chúng dài hơn). Tuy nhiên, trên thực tế, khi hạ khoảng cách bia đế quá thấp (h ≤ 4cm) thì do ảnh hương của các ion âm nên plasma trong quá trình phún xạ không ổn định, dẫn đến plasma dễ bị tắt. Ngoài ra, khoảng cách bia đế quá gần làm cho V cũng rất khó vào màng khi thực hiện việc đồng phún xạ. Qua khảo sát trên chúng tôi thu được kết quả khoảng cách bia đế tốt cho điều kiện phún xạ của chúng tôi là 5cm.
Qua kết quả đo MB ở hình 4.1, chúng tôi nhận thấy màng có tính năng quang xúc tác lớn nhất khi được chế tạo với h = 5cm. Kết quả cho thấy, lượng hữu cơ MB bị phân hủy trong 10ml dd 1ppm sau 30 phút chiếu ánh sáng UV đạt đến 50% và lên đến 87% sau 150 phút chiếu ánh sáng UV.
4.1.2. Khảo sát tính chất quang xúc tác của TiO2 theo sự thay đổi công suất phún xạ. xạ.
Trong phần thực nghiệm này, chúng tôi giữ nguyên khoảng cách giữa bia - đế là 5cm, nhiệt độ đế 200oC, thời gian phún xạ 30 phút, áp suất ~ 3.10-3 torr, tỉ lệ khí O2:Ar là 10%. Chúng tôi chỉ lần lượt thay đổi công suất phún xạ từ 80-140 W. Các màng được chế tạo trên đế thủy tinh thông thường.
Các mẫu trên sau khi được chế tạo xong được bảo quản ở chỗ tối không để ánh sang chiếu vào trong 2 ngày,sau đó được lấy ra để thực hiện phép đo MB trên mẫu.
Bảng 4.2. Các mẫu TiO2 thuần khảo sát theo sự thay đổi công suất phún xạ.
Mẫu p (torr) Ts (oC) t (phút) O2:Ar (%) h (cm) I1 (A) V1 (V) P1 (W) M14 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 140 M15 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 120 M16 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 80 M17 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 90 M18 3x10-3 200 30 10 5 0.350 400 100
Hình 4.2. Kết quả đo MB của các mẫu trong Bảng 4.2. *Bàn luận:
- Ở cùng điều kiện chế tạo, khi công suất phún xạ tăng thì năng lượng của các hạt lắng đọng lên đế cũng tăng. Qua đó, làm tăng độ kết tinh của tinh thể và nhờ đó thời gian sống của cặp điện tử - lỗ trống cũng dài hơn. Tuy nhiên, khi công suất phún xạ tăng quá cao và năng lượng các hạt quá lớn sẽ làm giảm đi độ xốp của màng khiến cho