Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2
1.2. Chất quang xúc tác TiO2
1.2.5.2. Phương pháp sol-gel
Quá trình sol-gel trước tiên liên quan đến sự tạo sol và sau đó là tạo gel. Sol là dạng huyền phù có kích thước của các tiểu phân rắn từ 1 nm đến 100 nm, có thể thu được bằng thủy phân và ngưng tụ từng phần các muối vô cơ hoặc ancoxit kim loại. Các hạt sol tiếp tục ngưng tụ theo mạng không gian ba chiều tạo thành gel. Đó là tập hợp gồm pha rắn bao bọc dung môi. Nếu dung môi là nước thì sol và gel tương ứng gọi là aquasol và aquagel. Khi rượu được sử dụng làm dung môi, chúng được gọi là ancosol và ancogel. Chất lỏng được bao bọc trong gel có thể được loại bỏ bằng cách làm bay hơi hoặc chiết siêu tới hạn, sản phẩm là xerogel và aerogel.
Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo sol. Sol có thể được tổng hợp từ các chất đầu không phải là ancoxit hoặc từ ancoxit. Quá trình tổng hợp từ các chất đầu khơng phải ancoxit thường dùng là các muối vô cơ (như nitrat, clorua, axetat, cacbonat...), quá trình này yêu cầu sự tách loại các anion vô cơ.
Phương pháp sol-gel đi từ các chất đầu là ancoxit kim loại được dùng phổ biến nhất bởi chúng có sẵn trên thị trường và độ tinh khiết cao [45, 142]. Phương pháp này liên quan đến sự tạo thành sản phẩm ở dạng sol hoặc gel hoặc kết tủa thơng qua các q trình thủy phân và ngưng tụ. Ở mức độ đơn giản nhất, các phản ứng thủy phân và ngưng tụ titan(IV) ancoxit với xúc tác axit được mô tả như sau:
Sự thủy phân: (RO)3Ti–O–R + H2O H (RO)3Ti–O–H + ROH (1.17)
Sự ngưng tụ loại nước: 2 (RO)3Ti–O–H (RO)3Ti–O–Ti(OR)3 + H2O (1.18)
Sự ngưng tụ loại ancohol:
(RO)3Ti–O–H + R–O–Ti(OR)3 (RO)3Ti–O–Ti(OR)3 + ROH (1.19)
Như chúng ta đã biết trong phương pháp kết tủa tổng hợp TiO2, quá trình thủy phân của Ti(IV) diễn ra rất nhanh và quá trình tạo mầm cũng như phát triển mầm được hoàn thành trong thời gian rất ngắn (cỡ vài giây). Vì vậy, để sản phẩm chỉ tồn tại ở dạng gel khơng có lẫn kết tủa thì quá trình sol-gel cần phải được khống
chế tốc độ phản ứng thủy phân và ngưng tụ một cách thích hợp thơng qua các điều kiện: pH dung dịch, lượng nước thủy phân, nhiệt độ và dung môi...
Phương pháp sol-gel đóng vai trị quan trọng trong tổng hợp xúc tác, đặc biệt để tổng hợp các oxit nhiều thành phần. Có rất nhiều nghiên cứu điều chế nano TiO2
bằng phương pháp sol-gel [27, 66, 131, 155, 160]. Phương pháp này thường thơng qua q trình thủy phân titan(IV) ancoxit với xúc tác axit và tiếp theo sau là quá trình ngưng tụ. Các hạt nano TiO2-anata có độ tinh thể cao với kích thước và hình dạng khác nhau có thể tạo ra bằng cách ngưng tụ titan ancoxit với sự có mặt của tetrametyl amoni hyđroxit [27]. Thông qua phương pháp sol-gel, nhiều ion như: Cu2+[132], Fe3+[159], Ni2+[156], W3+[47], Zr4+[58], Lnn+[147], La3+[68], Sm3+[129], Ce4+[78],... được đưa vào kết hợp với TiO2 ở dạng bột hoặc màng mỏng nhằm thúc đẩy hoạt tính quang xúc tác của TiO2.