5. Cấu trúc luận văn
1.4.3. Vật liệu TiO2 biến tính
Những ứng dụng quan trọng của vật liệu TiO2 kích thước nano chính là nhờ khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình quang xúc tác này đôi khi bị ngăn cản bởi độ rộng vùng cấm của chúng. Vùng cấm của TiO2 nằm giữa vùng UV (3,0 eV đối với pha rutile và 3,2 eV đối với pha anatase), mà vùng UV chỉ chiếm một phần nhỏ (khoảng 4- 5%) năng lượng mặt trời, trong khi vùng ánh sáng khả kiến chiếm đến 40% [59]. Do đó, một trong những mục đích khi cải tiến hiệu suất của TiO2 là làm tăng hoạt tính quang xúc tác bằng cách dịch chuyển dải sóng hấp phụ về vùng khả kiến, tức là thu hẹp năng lượng vùng cấm của TiO2 . Có rất nhiều phương pháp để đạt được mục đích này. Đầu tiên, biến tính TiO2 với một số nguyên tố mà có thể thu hẹp độ rộng năng lượng vùng cấm và do đó, làm biến đổi hoạt tính quang học của vật liệu nano TiO2, cải thiện hoạt tính quang xúc tác của nó nằm trong vùng khả kiến [91]. Tiếp đến, kết hợp sự dao động của những cặp electron ở trạng thái tập hợp trong vùng dẫn trên bề mặt kim loại với vùng dẫn của TiO2 nano trong vật liệu kim loại - TiO2 nano composite có thể làm tăng hiệu suất quang xúc tác [79].
Những năm gần đây, các hợp chất bismuth oxyhalides (BiOX, X= F, Cl, Br và I) là những chất bán dẫn có khả năng ứng dụng làm chất xúc tác quang để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm nước dưới ánh sáng khả kiến. Vật liệu này có nhiều lợi thế như khả năng xúc tác quang cao do có diện tích bề mặt lớn, hình thái cấu trúc độc đáo,... Trong số các BiOX thì BiOI là vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm hẹp (Eg=1,82 eV), thể hiện hoạt tính xúc tác trong vùng khả kiến, tuy nhiên khả năng tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh cao. Việc ghép cặp bán dẫn BiOI và TiO2 không những làm giảm năng lượng vùng cấm của TiO2, chuyển vùng hoạt động của xúc tác về vùng khả kiến mà còn có thể làm giảm khả năng tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh
của BiOI, làm tăng cường hoạt tính xúc tác quang của vật liệu. Ngoài ra, sự biến tính của bề mặt vật liệu TiO2 nano với những chất bán dẫn khác có thể thay đổi sự di chuyển điện tích giữa TiO2 và môi trường xung quanh, do đó làm cải thiện hiệu suất của TiO2 dựa trên cấu trúc từ [25]. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu và sử dụng các thế hệ chất quang xúc tác trên cơ sở titan đioxit như sau:
+ Vật liệu nano TiO2 sạch: thế hệ đầu tiên.
+ Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi nguyên tố kim loại: thế hệ thứ 2. + Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi nguyên tố không kim loại: thế hệ thứ 3. + Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi hỗn hợp ion của các nguyên tố kim loại và phi kim: thế hệ thứ 4.