Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và thế giới. Ưu điểm lớn nhất của TiO2 là chất bán dẫn có vùng cấm rộng, không độc hại, giá thành thấp, hoạt tính xúc tác quang hóa cao, sản phẩm từ sự phân huỷ chất này cũng an toàn, giá thành tương đối thấp. Hiện nay, những ứng dụng chính của vật liệu TiO2 với vai trò là một chất xúc tác quang có thể kể đến là: sản xuất năng lượng (ví dụ: tách nước [35]), bảo vệ môi trường (ví dụ: vật liệu tự làm sạch diệt khuẩn, virus và nấm mốc [30, 34] và giảm ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm không khí như NOx [27, 36], hydrocacbon dễ bay hơi [19]), lọc nước (ví dụ: hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu [39]).
Năm 2001, tác giả Jean-Marie Herrmann và công sự đã nghiên cứu khả năng quang xúc tác MB trong môi trường nước của vật liệu TiO2 P-25 (anatase/rutile = 3.1; kích thước trung bình của hạt ~ 30 nm). Các thí nghiệm cho thấy sự phân hủy MB của TiO2 graphene đạt được trong vòng 60 và 120 phút với sự chiếu sáng bằng đèn UV có λ ≥ 290 và λ ≥ 340 nm tương ứng [8]. Một danh sách gần như đầy đủ của các họ khác nhau của các chất ô nhiễm hữu cơ có khả năng xử lý bằng quang xúc tác đã được đưa ra [20]
Hình 1.14: Sự phân hủy của MB bằng quang xúc tác với thời gian hấp thụ trong bóng tối 90 phút và với hai dải λ = 290 nm và ở λ = 340 nm [20]
Một nghiên cứu khác đã được tiến hành bởi Th. Maggos và các cộng sự cho sự phân hủy quang xúc tác của khí NOx bằng cách sử dụng sơn chứa TiO2 . Kết quả cho thấy sơn chứa TiO2 có khả năng loại bỏ được khí NO sau 6 giờ chiếu xạ [36].
Kết hợp với việc pha tạp thêm Mo, nhóm tác Nguyễn Nhật Huy đã làm giảm nồng độ khí NOx bằng quang xúc tác xử dụng vật liệu ống nano TiO2 [27].
Hình 1.16: Hiệu suất loại bỏ NOx (NO + NO2) bằng quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu TiO2 và TiO2 pha tạp Mo [27]
Thực tế cho thấy, xu hướng chung của các nhóm nghiên cứu về TiO2 trong và ngoài nước là chế tạo ra TiO2 nano dạng bột, sau đó nghiên cứu về cấu trúc và vi cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác, khả năng khử độc và diệt khuẩn của chúng. Tại Việt Nam, từ năm 2001, nhóm của PGS.TS Trần Thị Đức, Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã triển khai ứng dụng vật liệu TiO2 nano. Tuy nhiên, do nguyên liệu ban đầu sử dụng TiCl4 và chế tạo bằng phương pháp sol-gel nên chủ yếu chỉ thu được TiO2 nanô dạng hạt với diện tích bề mặt nhỏ. Gần đây, nhóm của PGS.TS Đặng Mậu Chiến và cộng sự, Phòng công nghệ nano thuộc Đại học Quốc gia T.P Hồ Chí Minh đã công bố tổng hợp thành công màng mỏng TiO2-SiO2 bằng phương pháp sol-gel xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu là tetraisoproyl-orthotitanate (Ti(OC3H7)4 như là nguồn TiO2 và tetraethyl orthorsilicat (TEOS) như là nguồn SiO2. Trong chương trình KC.02/06-10, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Phan Đình Tuấn, Trường Đại học bách khoa Hồ Chí Minh chủ trì đã triển khai chế tạo TiO2 nanô dạng hạt xuất phát từ TiCl4, sử dụng phương pháp phản ứng pha khí nhiệt độ cao. Phương pháp này gần giống với công nghệ của Công ty Degussa Advanced
nanomaterials. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Phạm Văn Nho-Khoa Vật lý- Trường Đại học khoa học tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội cũng đã đạt được một số kết quả nghiên cứu ứng dụng TiO2 nano chế tạo khẩu trang diệt khuẩn, chế tạo pin mặt trời quang điện hóa. Tuy nhiên, vật liệu xuất phát là TiCl4 và sử dụng phương pháp nhiệt phân nên chỉ tạo được TiO2 nano dạng hạt, giá thành cao. Một nghiên cứu liên quan đến xử lý MB trong nước cũng được tiến hành bởi nhóm tác giả Bùi Xuân Vững và Ngô Văn Thông [7] sử dụng bã cà phê có từ tính. Vật liệu hấp phụ này nhận được từ việc cho bã cà phê sau khi chiết bằng nước nóng tiếp xúc với dung dịch nano oxit sắt từ Fe3O4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ của xanh methylene lên vật liệu này như thời gian cân bằng hấp phụ, nhiệt độ, pH và nồng độ ban đầu của xanh methylene đã được khảo sát. Quá trình hấp phụ MB của vật liệu tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả cho thấy ở pH = 8 và tại nhiệt độ phòng, thời gian cân bằng hấp phụ khoảng 60 phút và dung lượng hấp phụ cực đại là 30,67 mg/g. Vật liệu sau khi hấp phụ được thu hồi dễ dàng từ dung dịch nước bởi một nam châm vĩnh cửu. Tương tự, nhóm tác giả Đoàn Thị Thúy Ái [1] đã nghiên cứu vật liệu từ nanocomposite CoFe2O4/bentonit được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có diện tích bề mặt riêng lớn 380 m2/g. Khả năng hấp phụ chất MB của vật liệu CoFe2O4/bentonite được khảo sát với các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ như thời gian, nhiệt độ, pH …. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi nồng độ MB là 50 mg/L, tại pH=7-8 hiệu suất hấp phụ chất màu của vật liệu tốt nhất, đạt 95,0 - 95,1%. Ngoài ra, những vật liệu khác có thể được sử dụng trong việc hấp phụ xanh methylene như bã mía [4], đá ong biến tính [6], các quặng sắt [3],… đã
được nghiên cứu trong những năm gần đây. Bảng 1.4 là tổng hợp một số nghiên cứu tiêu biểu trong nước liên quan đến hướng sử dụng vật liệu quang xúc tác TiO2.
Bảng 1.4 là tổng hợp một số nghiên cứu tiêu biểu trong nước liên quan đến
hướng sử dụng vật liệu quang xúc tác TiO2.
STT Tên nghiên cứu, nhóm tác giả, năm
tiến hành Vật liệu
Tên đối tượng xử lý
1
Lê Thị Ngọc Tú, Thiết kế hệ thống thủy nhiệt và chế tạo cấu trúc ống nano TiO2, Tạp chí Khoa học, 2015, 2 (67): p. 31.
ống nano TiO2 dạng bột
phân hủy xanh methylene
2
Nguyễn Thị Hồng Phượng, Nghiên cứu công nghệ chế tạo nano TiO2 và ứng dụng tạo màng phủ trên vật liệu gốm sứ, luận án [2014] Màng nano TiO2 trên ceramic diệt khuẩn, nấm 3
Đỗ Thị Thu, Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc nano TiO2 dạng ống ứng dụng trong cảm biến khí, luận văn [2014] ống nano TiO2 dạng bột Cảm biến khí 4
Lê Quang Tiến Dũng, Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu TiO2 cấu trúc nanô, luận án [ 2015]
ống nanô TiO2 dạng bột
phân hủy xanh methylene
5 Nguyễn Thục Uyên, Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của màng TiO2:ZnO bằng phương pháp Solgel nhằm ứng dụng trong quang xúc tác,
Màng TiO2:ZnO 9%
phân hủy xanh methylene
Luận án [2015] 6
Trần Thị Thu Phương, Nghiên cứu biến tính vật liệu SBA-15 làm chất hấp phụ và xúc tác quang phân huỷ một số chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường nước, Luận án [2015]
TiO2- SBA-15, 40TiO2- CdS/SBA- 15 phân hủy methylene da cam 7
Nguyễn Văn Chiến, Chế tạo và nghiên cứu tính chất ống nano TiO2
bằng phương pháp điện hóa - Báo cáo đề tài khoa học dành cho cán bộ trẻ Viện Khoa học Vật liệunăm 2012.
ống nano TiO2 dạng màng trên đế Ti Chưa nghiên cứu ứng dụng
Từ các kết quả trên có thể nhận thấy quá trình chế tạo các vật liệu trong các nghiên cứu trên đều liên quan đến các thiết bị khoa học phức tạp, sử dụng các tiền chất hóa học đắt tiền, điều kiện chế tạo phải kiểm soát nghiêm ngặt, thời gian phản ứng dài, và đòi hỏi phải xử lý thêm các chất thải sinh ra trong quá trình chế tạo mẫu [16]. Thêm vào đó, đa số các nghiên cứu về điện hóa đều tập trung về chế tạo màng hoặc ống mà ít làm đến hạt [29] còn nghiên cứu tổng hợp hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện hóa vẫn chưa có nhiều các công bố. Chính vì vậy đề tài này lựa chọn phương pháp điện hóa thông qua ăn mòn điện cực anot Ti sử dụng chất điện ly trung hòa, thiết bị đơn giản, thời gian ngắn, dễ thực hiện, dễ kiểm soát và khống chế các điều kiện công nghệ chế tạo để chế tạo hạt nano TiO2.
Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Quy trình chế tạo mẫu
2.1.1.Các dụng cụ và hóa chất sử dụng 2.1.1.1. Dụng cụ thí nghiệm
- Nguồn điện 60V, HP 6296A, Mĩ.
- Cân điện tử 4 số Mettler Toledo – Thụy Sĩ.
- Máy đo pH Lutron pH 201 (Đài Loan).
- Tủ sấy DZ-2A II (Trung Quốc).
- Máy lọc hút chân không Advancetee, AS -25, Nhật Bản.
- Máy khuấy từ gia nhiệt PC-420D, Mexico.
- Máy đo phổ UV/VIS Hitachi UH-5300.
- Bể rung siêu âm Ultrasons H-D, Selecta Tây Ban Nha.
- Đèn UVA (PHILIPS TL 8W BLBT5).
- Máy lắc ngang HY-5A (Trung Quốc).
- Máy ly tâm Thettech Rotofix 32A (Đức).
- Bình định mức, pipet thủy tinh, cốc thủy tinh, ống ly tâm.
- Một số dụng cụ khác.
2.1.1.2. Hoá chất
- Thanh Titan độ sạch 99,7%, chiều dài 6,4mm, đường kính 0, 25 in, Alfa Aesar, Cas number: 7440-32-6 (Mỹ).
- NH4NO3, CAS: 6484-52-2, Sigma (Germany).
- Bột TiO2 P25 (Germany).
- Xanh methylene (England).
- Màng lọc polyvinyl difluoride PVDF (Pall Corporation, Mexico).
- Cồn tuyệt đối (>99,7%), Guang dong Guang hua SCI-Tech CO.Ltd (Trung Quốc).
- Dung dịch HNO3 K47218856644/ 1.00456.1000, Merk, (Germany).
- Dung môi nước cất 2 lần.
2.1.2. Chế tạo vật liệu TiO2 bằng phương pháp điện hóa
Chuẩn bị dung dịch điện ly NH4NO3 1,5 M: Cân 40 gam NH4NO3 hòa tan bằng nước cất hai lần sau đó cho vào bình định mức 250 ml. Sau đó pha thành dung dịch NH4NO3 với các nồng độ 0,5M, 1M, 1,5 M với dung môi nước cất hai lần.
Hình 2.1: Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp điện hóa
Trong nghiên cứu trước [9] vật liệu nano TiO2 đã được chế tạo thành công bằng quá trình bóc tách điện hóa từ hai thanh Ti có độ tinh khiết cao. Trong nghiên cứu này, quy trình chế tạo được cải tiến thêm bởi việc sử dụng nguồn điện một chiều sẵn có, ổn định nhiệt độ khi phản ứng, nồng độ chất điện ly thích hợp. Cụ thể, nguồn điện 1 chiều Autolab đắt tiền được chúng tôi thay thế bởi nguồn điện 1 chiều giá thành thấp và sẵn có ở phòng thí nghiệm. Đầu ra của nguồn được kết nối với hai điện cực anot và catot là 2 thanh kim loại Titan có độ tinh khiết cao (99,7%), điện thế phân cực được điều chỉnh tăng dần từ 0 đến 25 V và giá trị dòng điện trong khoảng 1,7 đến 2 A. Để tạo sự đồng đều của phản ứng và ổn định nhiệt độ, bể điện ly nơi phản ứng xảy ra được làm mát bởi nước xung quanh kết hợp sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt với tốc độ khuấy 250 vòng/phút. Tại một điện thế thích hợp thanh kim loại Ti ở điện cực anot tiếp xúc với dung dịch chất điện ly bóc tách dần ra và đi vào trong dung dịch đi kèm khí
thoát ra trên bề mặt điện cực. Nhiệt độ của dung dịch điện ly nơi phản ứng hòa tan anot được duy trì trong khoảng 500C bởi hệ làm mát xung quanh bình điện ly. Thời gian tiến hành thí nghiệm là 1h.
Sau khi kết thúc quá trình điện phân, dung dịch điện ly được nguội dần tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Vật liệu tồn tại trong dung dịch điện ly được tách ra thông qua hệ lọc hút chân không sử dụng màng lọc PVDF, rửa sạch nhiều lần với nước cất hai lần đến pH = 7. Vật liệu thu được sau lọc có dạng bột mịn được sấy khô ở 100°C trong tủ sấy chân không với thời gian là 24 giờ. Sau khi sấy khô, vật liệu được nghiền nhỏ bằng cối mã não và lưu trữ trong tủ chống ẩm cho đến khi cần sử dụng (vật liệu này được kí hiệu là T0). Vật liệu T0 được ủ nhiệt trong môi trường không khí tại 4500C, thời gian ủ 1h (vật liệu này được kí hiệu là T45), vật liệu TiO2 thương mại để so sánh là P25. Trong quá trình thực hiện tất cả các dụng cụ như chai, lọ, cốc thủy tinh, pipet, cối nghiền, … đều được rửa sạch, tráng kỹ bằng nước cất và sấy khô trước khi dùng. Các giai đoạn chế tạo vật liệu TiO2 được trình bày trong hình 2.2.
Hình 2.2: Các giai đoạn chế tạo vật liệu TiO2 bằng phương pháp điện hóa
Trong đó:
a) Thanh Ti d) Quá trình lọc rửa b) Quá trình điện hóa e) TiO2 sau khi sấy khô
c) Dung dịch thu được sau khi điện ly f) TiO2 dùng để nghiên cứu
2.2. Các phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu
2.2.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X
Nguyên lý của phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg. Khi chiếu chùm điện tử vào mẫu, các mặt phẳng thỏa mãn hệ thức Bragg sẽ cho cực đại nhiễu xạ .
Hình 2.3: Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể
nλ = 2.dhkl.sinθ (2.1) θ : là góc nhiễu xạ
λ: bước sóng của chùm tia tới
dhkl: khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng có chỉ số Miller hkl n: là bậc nhiễu xạ
Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau thì sẽ cho giản đồ nhiễu xạ với những đỉnh tương ứng với giá trị d, θ khác nhau đặc trưng cho loại vật liệu đó. Bằng cách phân tích giản đồ nhận được có thể xác định các hệ mặt phẳng mạng và khoảng cách dhkl giữa hai mặt phẳng gần nhau nhất trong mỗi hệ. Khoảng cách này phụ thuộc vào hằng số mạng và chỉ số Miller (hkl) của mặt phẳng mạng. Đối chiếu với phổ nhiễu xạ tia X (góc 2θ) của các cực đại nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt phẳng nguyên tử) với dữ liệu chuẩn quốc tế có thể xác định được cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng...) và thành phần pha của loại vật liệu đó.
Dựa vào kết quả XRD ta còn có thể xác định được kích thước tinh thể của hạt theo công thức Debye - Scherrer:
0.9 os D c λ β θ = (2.2) β: độ bán rộng tính theo radian
λ: là bước sóng của chùm tia X sử dụng θ: góc nhiễu xạ
Trong luận văn này, các phép đo được thực hiện trên máy nhiễu xạ D2 PHASER (Bruker) tại Khoa Khoa học và Kĩ thuật Vật liệu, Đại học Giao thông Quốc gia Đài Loan.
2.2.2. Phương pháp phổ tán xạ Raman
Khi chiếu ánh sáng laser đơn sắc có tần số νo vào mẫu thì ánh sáng bị tán xạ trở lại, ngoài tần số νo còn có các tần số , với νm là tần số dao động của phân tử (có cường độ yếu hơn cỡ 10-5 lần so với cường độ chùm tia tới). Vạch νo-νm gọi là vạch Stockes và vạch νo+νm gọi là vạch phản Stockes. Do đó, trong quang phổ Raman, chúng ta đo tần số dao động (νm) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới (νo). Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng tử ngoại - khả kiến mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất hiện. Từ việc xác định νm người ta xác định được các mode dao động của phân tử, xác định được kiểu liên kết phân tử, suy ra được cấu trúc phân tử.
Cấu trúc phân tử các mẫu trong nghiên cứu này được tiến hành đo trên máy LabRam HR Evolution (dùng laser 532 nm) của hãng Jobin - Yvon (Pháp) đặt tại Bộ môn Vật Lí Chất rắn - Điện tử - Khoa Vật Lí - Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội.
2.2.3. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM)
Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét lên bề mặt mẫu vật và thu lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh
của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được ảnh bề mặt mẫu rõ nét mà không làm phá hủy mẫu và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp.
Trong luận văn này, hình thái học của mẫu được khảo sát sử dụng kính hiển