Vật liệu TiO2 có khả năng ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Ứng dụng phổ biến nhất của TiO2 là chất màu nhờ có độ bóng và chiết suất rất cao (n = 2,7). Độ bóng và chiết suất cao của các màng mỏng TiO2 được sử dụng để tạo các gương phản xạ điện môi và làm chất phủ cho đá quý. Do có độ rộng vùng cấm bé hơn năng lượng tử ngoại, TiO2 có khả năng hấp thụ mạnh tia này và được sử dụng làm kính chắn tia tử ngoại, kem chống nắng. Ở dạng bột mịn, TiO2 còn được sử dụng trong sơn, men sứ, nhựa, giấy, mực in, mỹ phẩm, ... thậm chí cả trong thực phẩm và thuốc. Quang xúc tác là một trong những tính năng đặc biệt của các hạt nanô tinh thể TiO2. Hiệu ứng này đang được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ trong thời gian gần đây với hy vọng vật liệu này sẽ giúp giải quyết một loạt những bức xúc của chúng ta về năng lượng và môi trường trong cả hiện tại và tương lai. Với hoạt tính quang xúc tác cao do có tính ôxy hóa khử mạnh, giá thành thấp và dễ chế tạo, cấu trúc bền, chống chịu tốt với sự ăn mòn quang hóa và không độc, vật liệu TiO2 được cho là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng và thách thức từ sự ô nhiễm. Đồng thời TiO2 cũng là vật liệu được hy vọng sẽ mang đến những lợi ích to lớn trong vấn đề khủng hoảng năng lượng thông qua sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro, một loại khí cháy giải phóng năng lượng cao và hoàn toàn thân thiện với môi trường.
Sự so sánh về tương quan giữa cấu trúc dải năng lượng của một số bán dẫn với các mức thế năng tách H2 và O2 của nước trên hình 1.10 cho thấy TiO2
(có đáy vùng dẫn nằm cao hơn thế năng tách H2 trong khi đỉnh vùng hóa trị nằm rất thấp hơn mức tách O2) là một trong số các chất có khả năng tách H2 và O2 từ nước. Tuy nhiên với độ rộng vùng cấm trong khoảng 3,0 ÷ 3,2 eV, TiO2 chỉ tham gia xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại. Ngay sau khi khả năng xúc tác chiết tách H2 và O2 từ nước của TiO2 lần đầu được phát hiện bởi Fujishima và Honda [12], người ta đã tìm cách tạo cho vật liệu này có khả năng xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Một trong những hướng tiếp cận là chế tạo TiO2 biến tính bằng cách thay thế một phần Ti bởi các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Cu, Cr, Fe, Ni, hay V [24, 34, 43, 44, 45]. Một cách tiếp cận khác là tạo ra các ion Ti3+ gây bởi sự thiếu hụt ôxy trong TiO2. Tuy pha tạp vào vị trí Ti là một phương
pháp hiệu quả để tạo ra các TiO2 biến tính hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy nhưng phương pháp này có nhược điểm là có khả năng làm hạ thấp đáy vùng dẫn vốn đã rất gần mức thế năng tách H2. Điều này dẫn đến việc có thể làm suy giảm hoặc mất hoạt tính tách H2 của vật liệu. Do vậy, thay vì thay thế vào vị trí Ti, người ta tìm cách nâng cao đỉnh vùng hóa trị hoặc tạo ra các mức tạp chất gần đỉnh hóa trị trong vùng cấm bằng cách thay thế vào vị trí ôxy bằng các
Hình 1.10. Độ rộng vùng cấm của các chất bán dẫn và thế năng tách nước của chúng [27].
T hế nă ng (V , s o vớ i NH E )
nguyên tố phi kim, đặc biệt là N [5, 9, 15, 35]. Ngoài phương pháp điều chỉnh độ rộng khe năng lượng bằng pha tạp, việc phối hợp với các chất đồng xúc tác có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy cũng là một phương pháp khá hiệu quả. Tuy nhiên, để có kết quả tối ưu, có lẽ chúng ta cần phải có một sự kết hợp hài hòa của cả pha tạp và đồng xúc tác.