TiO2 cĩ rất nhiều ứng dụng từ hai tính chất quang xúc tác và siêu thấm ướt. Dưới đây chỉ là những ý tưởng được đưa ra, cĩ những cái đã làm được và cĩ những cái chưa thể thực hiện. Tuy nhiên đây đều là những ý tưởng rất khả thi và nếu thành cơng hứa hẹn sẽ mang lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của chúng ta.
1.1.4.1. Tính chất chống đọng sương.
Khi đi trong mưa hẳn là mọi người ai cũng khĩ chịu vì các giọt nước đọng lại trên cửa kính, gây nên hiện tượng khúc xạ ánh sáng làm cho chúng ta rất khĩ quan sát mọi vật. Trong một thời gian dài ta cứ đi theo hướng chế tạo ra các vật liệu khơng ưa nước để giọt nước dễ dàng gạt bỏ. Thực tế thì bề mặt này lại tạo ra các hạt nước nhỏ và chính chúng là nguyên nhân làm cho mọi vật nhạt nhịa đi khi quan sát. Với sự khám phá ra tính chất siêu thấm nước của TiO2 đã mở ra một hướng đi mới ngược lại hồn tồn với cách làm trên. Với tính chất ưa nước của mình, lớp TiO2 sẽ kéo các giọt nước trên bề mặt trải dàn ra thành một mặt phẳng đều và ánh sáng cĩ thể truyền qua mà khơng gây biến dạng hình ảnh. Những thử nghiệm trên các cửa kính ơtơ đã cĩ những kết quả rất khả quan [7].
Thời tiết nĩng ẩm ở Việt Nam làm cho kính, gương soi trong phịng tắm thường bị mờ đi rất nhanh. Đĩ là do các giọt nước nhỏ li ti đọng lại trên bề mặt gương. Nếu gương được tráng một lớp nano TiO2 thì gương sẽ khơng cịn bị mờ nữa. Khả năng chống mờ của bề mặt gương hay kính phụ thuộc vào khả năng thấm ướt của bề mặt. Bề mặt TiO2 với gĩc thấm ướt đạt gần tới 00 sẽ cĩ khả năng chống mờ rất tốt [7].
Tính chất siêu thấm ướt của TiO2 cịn cĩ thể được sử dụng để chế tạo các vật liệu khơ siêu nhanh làm việc trong điều kiện ẩm ướt. Chúng ta biết rằng chất lỏng dễ bay hơi nhất khi diện tích mặt thống càng lớn. Do tính chất thấm ướt tốt, giọt chất lỏng loang trên bề mặt TiO2 và sẽ bay hơi rất nhanh chĩng [7].
Hình 1.16. Sự khác biệt giữa kính thơng thường và kính được phủ TiO2.
`1.1.4.2. Vật liệu tự làm sạch [7].
Các nhà khoa học đã nghiên cứu về TiO2 từ khoảng 2-3 thập kỷ trước. Một khía cạnh hết sức độc đáo và đầy triển vọng là chế tạo các vật liệu tự làm sạch ứng dụng cả hai tính chất xúc tác quang hĩa và siêu thấm ướt. Ý tưởng này bắt nguồn khi những vật liệu cũ như gạch lát nền, cửa kính các tịa nhà cao ốc, sơn tường... thường bị bẩn chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng. Cĩ những nơi dễ dàng lau chùi như gạch lát, sơn tường trong nhà của chúng ta nhưng cĩ những nơi việc làm vệ sinh là rất khĩ khăn như của kính các tịa nhà cao ốc, mái vịm của các cơng trình cơng cộng kiểu như nhà hát Opera ở Sydney, hay như mái của các sân vận động hiện đại ngày nay. Chúng ta vẫn ao ước cĩ được các loại vật liệu tự làm sạch để một ngày nào đĩ khơng cịn các cơng việc đầy nguy hiểm là leo lên các cơng trình này để vệ sinh, và giờ đây các loại vật liệu này đã được thử nghiệm. Các cửa kính với một lớp TiO2 siêu mỏng, chỉ dày cỡ micro, vẫn cho phép ánh sáng thường đi qua nhưng lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ do các phương tiện giao thơng thải ra. Các vết bẩn này cũng dễ dàng bị loại bỏ chỉ nhờ nước mưa, đĩ là do ái lực lớn của bề mặt với nước, sẽ tạo ra một lớp nước mỏng trên bề mặt và đẩy chất bẩn đi như Hình 1.17.
Hình 1.17. Minh họa quá trình tự làm sạch của màng TiO2.
• Bụi bẩn bám lên lớp màng TiO2.
• Ánh mặt trời chiếu tia cực tím kích thích phản ứng quang hố trong lớp màng TiO2, bẻ gẫy các phân tử bụi.
• Khi nước rơi trên mặt kính sẽ cĩ hiệu ứng siêu thấm ướt, nước trải đều ra bề mặt thay vì thành giọt, cuốn theo chất bẩn đi xuống.
1.1.4.3. Xử lý nước bị ơ nhiễm [7].
Ơ nhiễm nước ngày nay đã trở thành vấn đề nghiêm trọng tồn cầu chứ khơng chỉ riêng của bất kỳ quốc gia nào. Các hội thảo khoa học đã được tổ chức tại Nhật, Canada, Hoa kỳ với hy vọng sẽ nhanh chĩng tìm ra hướng đi nhờ vật liệu TiO2. Tại Nhật thậm chí người ta đã thử nghiệm các loại bồn tắm cĩ thể làm sạch nước trong 24 giờ nhờ một lớp TiO2 tráng trên thành bồn. Tuy nhiên vấn đề cĩ vẻ rất khĩ khả thi khi áp dụng cho một thể tích nước lớn do vấn đề kinh tế và thời gian cần thiết đủ để làm sạch. Một phương pháp khả thi là bọc lớp TiO2 bên ngồi một nhân tố là chất mang từ tính, phân tán hạt TiO2 trong nước dưới dạng huyền phù, như vậy bề mặt tiếp xúc sẽ lớn hơn và chúng ta sẽ thu hồi lại bằng từ trường.
1.1.4.4. Xử lý khơng khí ơ nhiễm [7].
Chúng ta cần một bầu khơng khí trong lành hơn là bầu khơng khí mà chúng ta vẫn đang sống ở các thành phố lớn, một bầu khơng khí khơng cĩ mùi thuốc lá, khĩi xe, bụi bặm. Bụi cĩ thể ngăn chặn nhưng khĩi xe và khĩi thuốc lá thì rất khĩ vì mũi của
chúng ta cĩ khả năng nhận ra các phân tử mang mùi chỉ với nồng độ 0,00012 phần triệu. Nếu bằng một cách nào đĩ chúng ta cĩ thể tập hợp các hạt TiO2 trên các sợi giấy để tránh vấn đề TiO2 phá hủy ngay các liên kết của sợi giấy thì chúng ta sẽ cĩ một loại giấy đặc biệt - giấy thơng minh tự khử mùi. Sử dụng các tờ giấy này tại nơi lưu thơng khơng khí như cửa sổ, hệ thống lọc khí trong ơ tơ..., các phân tử mùi, bụi bẩn sẽ bị giữ lại và phân hủy chỉ nhờ ánh sáng thường hoặc ánh sáng từ một đèn tử ngoại. Ngồi ra loại giấy này cũng cĩ tác dụng diệt vi khuẩn gây bệnh cĩ trong khơng khí và chúng ta sẽ cĩ một bầu khơng khí lý tưởng.
1.1.4.5. Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm [7].
“Photocatalyst” cĩ nghĩa là TiO2 với sự cĩ mặt của ánh sáng tử ngoại cĩ khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, bao gồm cả nấm, vi khuẩn, vi rút. TiO2 cĩ khả năng phân hủy hiệu quả đặc biệt là với số lượng nhỏ. Mơi trường như phịng vơ trùng, phịng mổ bệnh viện là những nơi yêu cầu về độ vơ trùng rất cao, cơng tác khử trùng cho các căn phịng này thường được tiến hành kỹ lưỡng và khá mất thì giờ. Nếu trong các căn phịng này chúng ta sử dụng sơn tường, cửa kính, gạch lát nền dùng TiO2 thì chỉ với một đèn chiếu tử ngoại và chừng 30 phút là căn phịng đã hồn tồn vơ trùng.
1.1.4.6. Tiêu diệt các tế bào ung thư [7].
Ung thư ngày nay vẫn là căn bệnh gây tử vong nhiều nhất. Việc điều trị bằng các phương pháp nhiễu xạ, truyền hĩa chất, phẫu thuật thường tốn kém mà kết quả thu được khơng cao. Hiện nay TiO2 đang được xem xét như là một hướng đi khả thi cho việc điều trị ung thư. Hiện ta đang thử nghiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo nên các khối ung thư trên chuột, sau đĩ tiêm một dung dịch chứa TiO2 vào khối u. Sau 2-3 ngày người ta cắt bỏ lớp da trên và chiếu sáng vào khối u, thời gian 3 phút là đủ để tiêu diệt các tế bào ung thư. Với các khối u sâu trong cơ thể thì một đèn nội soi sẽ được sử dụng để cung cấp ánh sáng.
1.2. Phương pháp Sol – Gel
Phương pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hĩa keo để tạo ra các vật liệu cĩ hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nĩ được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors) [20].
1.2.1.1. Precursor [6].
Precursor là các phần tử ban đầu để tạo hệ keo, được tạo thành từ các nguyên tử kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand (các nguyên tử khác khơng phải kim loại) khác nhau. Các precursor cĩ thể là chất vơ cơ kim loại hay hữu cơ kim loại.
Precursor cĩ cơng thức tổng quát : M(OR)x
M: là kim loại (Si, Ti, Zr, Al, Sn, Ce ) R: là nhĩm alkyl cĩ cơng thức: C Hn 2n+1
x: là hĩa trị của M
Những chất hữu cơ kim loại được sử dụng phổ biến nhất là các alkoxysilans, như là các Aluminate, Titanate, và Borat cũng đuợc sử dụng phổ biến trong quá trình sol – gel.
1.2.1.2. Hệ keo.
Hệ keo là một hệ phân tán trong đĩ pha phân tán là pha cĩ kích thước rất nhỏ (1- 1000nm) đến mức lực trọng trường cĩ thể được bỏ qua và lực tương tác giữa các pha phân tán được tạo nên bởi lực hút giữa các khoảng cách rất ngắn của chúng, chẳng hạn như lực Van Der Waal, lực hút tĩnh điện… Hơn thế, trong pha phân tán tồn tại chuyển động Brown (hoặc khuyếch tán Brown), là dạng chuyển động ngẫu nhiên gây ra bởi moment tạo nên bởi sự va chạm giữa các phân tử trong mơi trường phân tán.
1.2.1.3. Sol [7].
Sol là hệ phân tán ổn định của các hạt keo rắn (kích thước cỡ 0.1 – 1.0 µm) hoặc polymer trong dung dịch lỏng (thường là nước hoặc dung dịch với thành phần chủ yếu là nước, các loại dung mơi khác như Ethanol cũng cĩ thể được sử dụng) trong đĩ chỉ cĩ sự tồn tại của những chuyển động Brown tác động lên các hạt lơ lửng này. Sol
(Solution) được hình thành sau một chuỗi phản ứng thủy phân và ngưng tụ từ các phần tử ban đầu (precursor).
Sol khí (Aerosol) là hệ phân tán của các hạt keo rắn hoặc lỏng trong mơi trường khí.
Hệ nhũ tương (Emulsion) là hệ phân tán của các hạt lỏng trong mơi trường của một chất lỏng khơng hịa tan khác.
Một hệ sol cĩ những đặc trưng như sau:
- Kích thước hạt quá nhỏ nên lực hút là khơng đáng kể.
- Lực tương tác giữa các hạt là lực Valder Waals.
- Các hạt cĩ chuyển động ngẫu nhiên Brown do trong dung dịch các hạt va chạm lẫn nhau.
- Sol cĩ thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đơng tụ các hạt keo.
1.2.1.4. Gel [6].
Một hệ Gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đĩ một mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng bao quanh.
1.2.2. Quá trình sol – gel.
Quá trình sol-gel là một phương pháp hĩa học ướt tổng hợp các phần tử huyền phù dạng keo rắn trong chất lỏng và sau đĩ tạo thành nguyên liệu lưỡng pha của bộ khung chất rắn, được chứa đầy dung mơi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp sol- gel [1].
Một quá trình sol - gel bao gồm những giai đoạn chính như sau: thủy phân (hydrolysis), ngưng tụ (condensation), gel hĩa (gelation), định hình (ageing), làm khơ (drying), và thiêu kết (sintering).
Trong tồn bộ quá trình, hai phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là hai phản ứng quyết định cấu trúc và tính chất của sản phẩm sau cùng. Do đĩ, trong phương pháp sol-gel, việc kiểm sốt tốc độ phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là rất quan trọng.
1.2.2.1. Phản ứng thủy phân [6].
Phản ứng thủy phân thay thế nhĩm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại- alkoxide bằng nhĩm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại-hydroxyl.
Hình 1.18. Phản ứng thủy phân.
thủy phân
M(OR)X + nH2O (RO )x-n- M-(OH)n + nROH
hĩa este
M(OR)X + xH2O M(OH)x + xROH
1.2.2.2. Phản ứng ngưng tụ [6].
Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxide kim loại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại-oxide-kim loại khơng ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới kim loại- oxide-kim loại trong tồn dung dịch. Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo 2 kiểu:
Ngưng tụ rượu:
M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH Ngưng tụ nước:
Hình 1.19. Phản ứng ngưng tụ.
1.2.2.3. Gel hĩa [7].
Ở giai đoạn này cĩ sự hình thành các liên kết giữa các hạt keo. Độ nhớt của dung dịch lúc này tiến ra vơ hạn do sự hình thành mạng lưới khơng gian ba chiều trong khắp dung dịch.
1.2.2.4. Định hình [7].
Nhằm củng cố các liên kết trong gel, làm gel đồng đều hơn.
1.2.2.5. Làm khơ [7].
Quá trình nâng nhiệt để đuổi dung mơi khỏi dung dịch.
1.2.2.6. Thiêu kết [7].
Giai đoạn này nhằm chuyển gel từ trạng thái vơ định hình sang dạng tinh thể ở nhiệt độ cao. Đặc biệt nhiệt độ chuyển pha trong phương pháp sol - gel thường nhỏ hơn nhiệt độ chuyển pha trong phương pháp ceramic truyền thống.
Hình 1.20. Quá trình Sol-Gel.
1.2.3.Ảnh hưởng của acid và bazơ đến sự phát triển cấu trúc tinh thể.
Phản ứng thuỷ phân diễn ra nhanh trong xúc tác acid (pH < 7) và chậm trong xúc tác bazơ (pH > 7). Ngược lại, phản ứng ngưng tụ xảy ra nhanh trong xúc tác bazơ và chậm trong xúc tác acid. Cơ chế phản ứng thuỷ phân và phản ứng ngưng tụ cũng khác nhau trong mơi trường acid và bazơ [7].
Sol chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian. Đến một thời điểm nhất định thì các hạt hút lẫn nhau để trở thành những phần tử lớn hơn. Các phần tử này tiếp tục phát triển đến kích thước cỡ 1nm thì tùy theo xúc tác cĩ mặt trong dung dịch mà phát triển theo những hướng khác nhau.
Dưới điều kiện xúc tác acid hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau [6].
Hình 1.22. Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác bazơ.
Dưới điều kiện xúc tác bazơ các hạt phát triển thành các cluster phân nhánh ở mức độ cao nhiều hơn, khơng xen vào nhau trước khi tạo thành Gel, chúng thể hiện như những cluster riêng biệt [6].
Như vậy, với các loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển của hạt Sol cũng cĩ phần khác biệt.