CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2.2. Vật liệu xúc tác
1.2.2.3. Vật liệu xúc tác quang
Xúc tác quang có thể làm việc ở nhiệt độ thường dưới ánh sáng mặt trời. Vì vậy, xúc tác quang là một vật liệu đầy hứa hẹn cho công nghệ thanh lọc khơng
khí, giảm một loạt các chất ô nhiễm trong môi trường nước [63]. Thế giới đã đăng tải nhiều cơng trình nghiên cứu vật liệu xúc tác quang có khả năng ứng dụng cao. Trong số các xúc tác quang, TiO2 khá trơ về mặt hóa học và sinh học nên thân thiện với môi trường. Các nhà công nghệ đang kỳ vọng nhiều vào khả năng xúc tác của nano TiO2 cho nhiều phản ứng xúc tác giảm thiểu một loạt các chất ơ nhiễm trong mơi trường nước/ khí [64].
TiO2 tồn tại dưới 3 dạng tinh thể là: rutil, anatase và brookite. Trong đó, anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng < 388nm và Rutil có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng ≤ 413 nm nên nếu dùng TiO2 thì chỉ có thể sử dụng một phần tia cực tím nhỏ của ánh sáng mặt trời, khoảng 2-5%. Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc pha tạp TiO2 bằng kim loại hoặc phi kim loại để xúc tác có thể hoạt động được trong vùng ánh sáng khả kiến [65].
Nano TiO2 ứng dụng trong xử lý nước đã được nghiên cứu khá nhiều [66], trong khi đó mảng ứng dụng cho xử lý khí cịn chưa rộng rãi. Tuy nhiên, những ứng dụng nano TiO2 trong xử lý mơi trường khơng khí đã được nghiên cứu và triển khai tại một số đơn vị nghiên cứu ở Việt Nam. Đề tài “Nghiên cứu xử lý ô nhiêm khơng khí bằng vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông thạch anh” do PGS.TS. Nguyễn Thị Huệ, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm chủ nhiệm, đã chế tạo thành công một số sản phẩm khoa học mới có sử dụng vật liệu nano TiO2 như: bộ lọc chủ động quang xúc tác sử dụng TiO2 phủ trên vật liệu bông thạch anh và TiO2 phủ trên sợi Al2O3 trong thiết bị làm sạch khơng khí, sơn TiO2/Apatite diệt khuẩn [67]. Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thị Hồng Phượng (2014), Trường đại học Bách khoa Hà Nội tập trung vào nghiên cứu chế tạo màng phủ trên vật liệu gốm sứ có khả năng tự làm sạch, diệt khuẩn, nấm mốc…[68]. Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thế Anh (2013), Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp và đánh giá hoạt tính một số vật liệu trên cơ sở TiO2 biến tính Ceri và Nito, tìm điều kiện tối ưu tổng hợp được vật liệu xúc tác quang dưới ánh sáng nhìn thấy [69].
Phần lớn các nghiên cứu tập trung vào biến tính anatase TiO2 do mật độ cấu trúc bát diện của TiO2 trong anatase nhỏ hơn trong rutil (tạo thêm khoảng trống
trong anatase cho quá trình vận chuyển và khuếch tán quang ánh sáng và electron). Anatase có thể thu được ở nhiệt độ thấp (<500 °C) với kích thước hạt nhỏ, q trình sản xuất TiO2 cho mục đích ứng dụng địi hỏi kiểm sốt các điều kiện phản ứng để có được anatase. Các tác giả cho thấy hoạt tính của vật liệu phụ thuộc vào tính chất bề mặt của chúng như kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, cấu trúc bề mặt và các vị trí tâm hoạt động. Những thuộc tính này phụ thuộc vào các phương pháp chế tạo. Chen và cs (2007) [70] đã chỉ ra rằng TiO2 pha tạp Cr được điều chế bằng một phương pháp ngâm tẩm có các hoạt tính xúc tác quang ít hơn phương pháp cấy các ion Cr lên TiO2. Theo các nghiên cứu đã công bố [71], pha tạp V2O5 vào TiO2 anatase có thể làm giảm năng lượng vùng cấm, làm thay đổi độ hấp thụ bước sóng của vật liệu trong vùng ánh sáng nhìn thấy, do đó các hoạt động xúc tác tăng đáng kể. Khi nhiệt độ điều chế tăng kích thước hạt cũng tăng lên, đồng thời anatase cũng chuyển thành rutil. Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ thu được TiO2 rutil với kích thước lớn hơn trong q trình nung ở nhiệt độ cao và do đó các hoạt động xúc tác của rutil ít hơn anatase.
Phần lớn các nghiên cứu trước đây trên thế giới đều tập trung vào dạng TiO2 anatase vì những lý do nêu trên. Tuy nhiên, trong thực tế, hình thức tồn tại phổ biến nhất và ổn định của TiO2 trong tự nhiên là rutil và rutil có năng lượng vùng cấm thấp hơn anatase. Nếu dạng rutil TiO2 có thể được sử dụng như một xúc tác quang thì chi phí có thể được giảm và sự lo lắng về việc kiểm soát các điều kiện trong quá trình sản xuất là khơng cần thiết. Một số tác giả đã biến tính rutil bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm tăng hiệu quả hoạt tính xúc tác của vật liệu [72].
Tại Việt Nam, Trần Thị Minh Nguyệt và cs (2013) đã chế tạo thành công vật liệu nano rutil TiO2 doping bởi V2O5 bằng phương pháp nghiền phản ứng năng lượng cao [63]. Kết quả cho thấy vật liệu nano TiO2 dạng Rutil biến tính bằng Vanadium có khả năng hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy với hiệu suất khá cao: TiO2/V2O5 chế tạo được không những hấp thụ tốt ánh sáng trong vùng ánh sáng tử ngoại mà còn hấp thụ khá cao ánh sáng với bước sóng 400- 600nm; xúc tác tốt cho phản ứng phân hủy xanh methylene ở ánh sáng thường và nhiệt độ phòng. Với dấu hiệu khả quan về quang xúc tác của vật liệu trên phản ứng truyền thống với xanh methylene, các tác giả kỳ vọng vào khả năng phân hủy tốt một số chất độc hại trong khơng khí, đặc biệt là CO.
Trên cơ sở những nghiên cứu trong và ngồi nước, chúng tơi đã chọn phương án chế tạo nano rutil TiO2/V2O5 từ rutil công nghiệp và oxit V2O5. Vật liệu chế tạo được mang thử nghiệm cho phản ứng chuyển hóa CO nhằm xử lý triệt để khí thải ngay ở nhiệt độ thường và ánh sáng mặt trời. Với hy vọng khi kết hợp với hệ thống xúc tác truyền thống và tiến tới thay thế hoàn toàn bằng vật liệu quang xúc tác thì có thể tiết kiệm được năng lượng vận hành, giản tiện thiết bị.