1.4.3.1. Phương pháp sol-gel
Sol-gel là một phương pháp linh hoạt được sử dụng trong việc tạo ra các vật liệu oxit kim loại. Thông thường, trong quá trình sol-gel, các hạt
keo ở thể vẩn được tạo nên từ quá trình thuỷ phân và và polyme hóa của các tiền chất thường là các muối kim loại vô cơ hoặc các hợp chất hữu cơ của kim loại như các alkoxide kim loại, M(OR)n, trong đó M là kim loại, R là gốc hữu cơ. Sau khi hoàn thành quá trình polyme hóa và việc mất dung môi thì dung dịch tiền chất chuyển từ sol lỏng sang gel pha rắn [10, 11, 33]. Bằng phương pháp sol-gel và các biện pháp xử lý thích hợp có thể chế tạo vật liệu oxit kim loại với nhiều dạng khác nhau như: bột nano, màng mỏng, sợi gốm, màng xốp, gốm chắc đặc hoặc các vật liệu aerogel cực xốp. Thực tế cho thấy, hai quá trình trên xảy ra càng chậm thì kích thước hạt thu được càng nhỏ (hạt tinh thể của màng càng nhỏ và màng càng xốp thì bề mặt riêng của màng càng lớn và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu chế tạo càng mạnh.
Quá trình thủy phân và ngưng tụ thường được điều khiển bằng cách thêm axit, bazơ để điều chỉnh pH. Điều chỉnh tốc độ thủy phân nhờ việc thay đổi pH, thêm bớt nước, thêm dung môi hoặc thêm phối tử tạo phức. Tuy nhiên, quá trình thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất titanium thường diễn ra rất nhanh do sự xuất hiện của nước và xúc tác trong dung dịch [10]. Để khắc phục hiện tượng trên, các tiền chất được biến tính với các phối tử tạo phức hoặc sử dụng phức chất titanium−triethanol amine complex (titanatrane) để làm giảm tốc độ thủy phân. Hình 1.10 biểu diễn ảnh TEM của TiO2 chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng hỗn hợp tiền chất titanium (IV) isopro-poxide (Ti(OCH(CH3)2)4) and triethanolamine ((HOCH2CH2)3N) (tỉ số mol 1:2) với các thể tích ammonia khác nhau (a) 0; (b) 0;50, (c)1,0 và (d) 2,0 mol/dm3 [10].
Hình 1.8: Biểu diễn ảnh TEM của TiO2 chế tạo bằng phương pháp sol-gel với các nồng độ amoniac khác nhau (a ) 0, (b) 0,50, (c) 1,0, và (d) 2,0 M [10]
Ưu điểm của phương pháp sol-gel:
- Có thể tổng hợp được vật liệu dưới dạng bột với cấp hạt cỡ micromet, nanomet.
- Có thể tổng hợp vật liệu dưới dạng màng mỏng, dạng sợi.
- Nhiệt độ tổng hợp không cần cao, thời gian tạo mẫu khá nhanh, có thể điều khiển cấu trúc vật liệu chế tạo được (kích thước hạt và hình dạng vật liệu), có tính đồng nhất cao, diện tích bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao.