Trong các chất bán dẫn có thể nói TiO2 là một chất xúc tác quang hóa triển vọng, đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để ứng dụng vào những vấn đề quan trọng của môi trường là phân hủy các hợp chất hữu cơ, diệt khuẩn, sơn chống mốc, bám bẩn,…dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, một yếu tố hạn chế của chất bán dẫn TiO2 là có năng lượng vùng cấm cao. Năng lượng vùng cấm của anatase là 3,2 eV nên chỉ có tia UV mới có khả năng kích hoạt nano TiO2 anatase để tạo ra các cặp e-
cb/h+vb [10,20, 25]. Trong khi đó, ánh sáng mặt trời có hàm lượng tia UV chỉ chiếm 3-
5% nên việc ứng dụng khả năng xúc tác quang hóa TiO2 sử dụng nguồn năng lượng sạch là ánh sáng mặt trời hiện vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi.
Một trong những giải pháp được đưa ra để mở rộng khả năng xúc tác quang hoá của TiO2 là việc sử dụng kỹ thuật biến tính, mang thêm các kim loại chuyển tiếp (như Zn, Cr, Mn, Pt,…) hoặc phi kim (như N, C, S,…) lên TiO2 để làm giảm năng lượng vùng cấm và làm tăng khả năng hấp phụ bước sóng dài ở vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng 400-600 nm). Đây là phương pháp hiện đang thu hút được sự
quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học [11,19,25,26].
Hình 1.8. Biến tính chất bán dẫn làm giảm năng lượng vùng cấm
Ashahi đã phát hiện hiện tượng chuyển dịch mạnh (đến tận 540 nm) của dải hấp thụ ánh sáng của TiO biến tính bởi N. Các tác giả giải thích kết quả này có
được là do vùng cấm hẹp lại do có sự pha trộn các trạng thái 2p của nguyên tử N với trạng thái 2p của nguyên tử O trong vùng hóa trị của TiO2 [19,26].
Khi thực hiện biến tính bằng các kim loại chuyển tiếp (V, Cr, Fe, Zn…), một phần Ti4+ trong khung mạng được thay thế bởi cation kim loại chuyển tiếp, cịn khi biến tính bằng các phi kim (N, F, S…), một phần O2- được thế bởi các anion phi kim. Đặc biệt khi doping với các phi kim ngoài việc O2- được thay thế bởi các anion phi kim, cịn có thể tạo ra các tâm khuyết tật (defect sites) có khả năng xúc tác
quang hóa cao.
Để tăng cường hoạt tính quang xúc tác của TiO2 trong vùng ánh sáng trơng thấy, xúc tác quang hố TiO2 nano được tổng hợp bằng các phương pháp mới như sol - gel thuỷ nhiệt trong môi trường axit, đồng thời biến tính nano TiO2 với kim loại chuyển tiếp và phi kim bằng phương pháp trực tiếp (đưa vào trong gel) hoặc gián tiếp (đưa vào sau tổng hợp) [20,22].
Trong nghiên cứu này chúng tơi chọn biến tính TiO2 bằng ZnO.