3.1. Nghiên cứu chế tạo màng quang xúc TiO2/SiO2 trong vùng ánh sáng tử
3.1.1. Phổ UV-Vis của các dung dịch TiO2/SiO2
Các dung dịch TiO2/SiO2 với các thành phần SiO2 khác nhau 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% lần lƣợt đƣợc đo xác định độ truyền qua trên máy quang phổ hấp thu tử ngoại và khả kiến UV-VIS Cary 100 (Varian-Australia).
Phổ hấp thu ở (Hình 3.1) cho thấy các dung dịch này hầu nhƣ trong suốt với độ truyền qua gần trong khoảng từ 88% trở lên.
Các dung dịch này đều có giá trị của độ truyền qua giảm nhẹ khi giá trị của bƣớc sóng ánh sáng tới giảm từ 800 đến 400 nm, và hầu nhƣ không đổi trong vùng bƣớc sóng từ 500-800 nm. Đặc biệt các dung dịch có mặt thành phần TiO2 đều có giá trị của độ truyền qua giảm rất nhanh khi giá trị bƣớc sóng ánh sáng tới nhỏ hơn 400 nm, và bị hấp thu hoàn toàn trong vùng tử ngoại có giá λ < 350 nm. Trong khi điều này hoàn toàn không xuất hiện với trƣờng hợp dung dịch chứa 100% SiO2, tức là không tồn tại thành phần TiO2. Nguyên nhân của hiện tƣợng trên là do các dung dịch có chứa thành phần TiO2 là vật liệu có khả năng hấp thu năng lƣợng của ánh sáng tử ngoại gây kích thích các electron vùng hoá trị nhảy qua vùng cấm lên vùng dẫn, để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống.
Hình 3.1: Phổ truyền qua của dung dịch TiO2/SiO2 với tỷ lệ khác nhau của SiO2.
Qua phổ hấp thu trên ta cũng nhận thấy khi hàm lƣợng SiO2 trong hệ giảm, tức là hàm lƣợng TiO2 tăng, độ truyền qua của dung dịch cũng giảm dần. Nguyên nhân của hiện tƣợng này có thể do sự có mặt của thành phần TiO2 càng nhiều càng dễ gây ra phản ứng thuỷ phân của TiO2 với nƣớc tạo các hạt tủa trắng li ti của các hydroalkoxide làm cho dung dịch không đạt độ truyền qua tốt. Một đặc điểm khác ta có thể nhận thấy trên phổ UV-Vis ở (Hình 3.1) là khi nồng độ SiO2 tăng bờ hấp thu tại vùng tử ngoại UV cũng dịch chuyển nhẹ về phía vùng ánh sáng tử ngoại. Điều này đồng nghĩa với bƣớc sóng hấp thu cực đại λmax giảm dần, làm tăng khoảng năng lƣợng Eg của vùng cấm. Mặt khác theo hiệu ứng giam cầm điện tử thì các hạt có kích thƣớc nhỏ hơn sẽ có giá trị Eg lớn hơn và λmax nhỏ hơn. Nhƣ vậy sự gia tăng nồng độ SiO2 trong dung dịch có khả năng làm giảm kích thƣớc của các hạt rắn trong dung dịch, điều này sẽ đƣợc kiểm tra thêm khi khảo sát phổ XRD ở phần sau.
Giá trị độ rộng vùng cấm từ phổ UV-Vis đƣợc tính toán thông qua giá trị λht xác định từ phổ ở (Hình 3.1). Giá trị λht này đƣợc xác định bằng cách xác định giá trị hoành độ của tiếp điểm của tiếp tuyến với đoạn đi thẳng lên của đồ thị. Độ rộng vùng cấm đƣợc xác định bằng công thức sau:
Bảng 3.2: Độ rộng vùng cấm của các hạt TiO2/SiO2 trong dung dịch.
Loại dung dịch λmax (nm) Eg (eV) TiO2/SiO2 (5%) 352 3.53 TiO2/SiO2 (10%) 371 3.35 TiO2/SiO2 (15%) 363 3.42 TiO2/SiO2 (20%) 360 3.45 TiO2/SiO2 (25%) 357 3.48 TiO2/SiO2 (30%) 352 3.53
Từ các kết quả tính toán đƣợc của giá trị độ rộng vùng cấm Eg ta nhận thấy các giá trị Eg này đều lớn hơn so với năng lƣợng vùng cấm Eg của vật liệu khối Eg = 3.2 eV, tƣơng ứng với bƣớc sóng hấp thu cực đại là λmax= 388nm.
Thực tế bảo quản các hệ dung dịch trên chúng tôi cũng nhận thấy, hệ dung dịch TiO2/SiO2 có càng nhiều thành phần SiO2 càng dễ bị gel hoá, và khi bị gel hóa kết khối những hệ dung dịch này thƣờng có độ trong lớn hơn so với các hệ dung dịch có ít thành phần SiO2. Phổ UV-VIS trên chứng tỏ tính trong suốt của dung dịch vì thế khả năng tạo đƣợc một màng TiO2/SiO2 trên thủy tinh hoặc gạch men mà không làm ảnh hƣởng đến màu sắc, các hoa văn của gạch men.