GA + TiO2 + hv TiO2 (h+) + GA (e ) (1.9)
GA(e ) + O2 GA + •O2 (1.10)
H2O + TiO2 (h+) •OH + TiO2 (1.11)
15
Bên c nh các u đi m c a v t li u TiO2/GA, khi ng d ng vào th c t TiO2 có ba
nh c đi m. Th nh t là TiO2 có n ng l ng vùng c m l n là 3,0 eV (pha rutile) và
3,2 eV (pha anatase). Do đó, q trình quang phân h y đ c th c hi n d i b c x UV do TiO2 ch có th t o ra các c p e và h+ d i ánh sáng UV. Tuy nhiên, ánh sáng m t tr i g m 5 % ánh sáng UV (300 – 400 nm), 43 % ánh sáng nhìn th y (400 – 700 nm), và 52 % ánh sáng h ng ngo i (700 – 2500 nm) [30]. Do v y, ph n l n n ng l ng m t tr i không th s d ng đ c nên c n tìm ra các v t li u có n ng l ng vùng c m thích h p đ h p thu t i đa vùng ánh sáng nhìn th y. Th hai là t l tái t h p cao c a các c p e và h+ nh h ng b t l i đ n hi u qu quang phân h y c a TiO2, d n đ n t c đ t o đi n t ch m và quang oxy hóa h n ch . Th ba là hi u su t phân tách y u c a các h t mang đi n d n đ n hi u qu quang phân h y th p [30]–[32]. C ba
nh c đi m nƠy đ u gây ra nh h ng l n đ i v i ng d ng quang phân h y c a TiO2
vào th c t . Vì v y, c n ph i bi n tính đ t ng hi u qu quang phân h y v t li u TiO2/GA.
Nhi u nghiên c u đư đ c ti n hành pha t p đ t o nên m c pha t p m i trong vùng c m nh m thu h p n ng l ng vùng c m đ m r ng vùng h p thu photon c a ánh sáng vùng kh ki n, nâng cao hi u qu s d ng n ng l ng ánh sáng m t tr i và h n ch quá trình tái t h p e và h+. VB c a TiO2 bao g m tr ng thái lai hóa c a các obitan O 2p và Ti 3d, trong khi CB ch y u là các obitan Ti 3d. Tính ch t đi n t và quang h c c a TiO2 có th đ c c i ti n b ng cách pha t p. V trí các ion Ti ho c O trong m ng tinh th TiO2 có th đ c thay th b ng kim lo i pha t p nh m lƠm thay đ i tính ch t quang h c và quang phân h y c a v t li u. Trong đó, kim lo i quỦ th ng đ c s d ng đ c i thi n hi u su t quang phân h y d i s kích thích c a ánh sáng nhìn th y. S hi n di n c a các ion kim lo i lƠm thay đ i tính ch t truy n đi n t c a TiO2, c i thi n hi u qu phơn tách đi n t và d ch chuy n m c n ng l ng CB.
M c n ng l ng m i d i CB c a TiO2, ho t đ ng nh b y đi n t , cho phép nhi u e
v n chuy n ra b m t h n. Các kim lo i quỦ đ c s d ng pha t p nh vƠng (Au),
b c (Ag), platinum (Pt), paladi (Pd). e đ c t o ra t nano kim lo i d i chi u sáng, các e này c ng h ng v i t tr ng đi n t c a ánh sáng t i đ c g i là hi n t ng c ng h ng plasmon b m t (localized surface plasmon resonance – LSPR). Hi u ng LSPR c a h t Ag m nh m h n kim lo i quý khác. Vì v y, pha t p Ag vào TiO2 giúp
16
1.2.4. V t li u titan dioxit pha t p b c trên c s graphene aerogel
Gi i thi u
B c đ c s d ng nh m t kim lo i pha t p ph bi n k t h p v i tinh th TiO2. Pha t p Ag c ng có th gây ra bi n đ i rõ rƠng theo h ng thu h p n ng l ng vùng c m; có th ng d ng r ng rãi vì chi phí th p và có ho t tính kháng khu n [34]. Ag hi n di n trong m ng tinh th c a TiO2 t o ra vùng pha t p m i n m d i vùng d n c a TiO2 kho ng 0,7 eV d n đ n thu h p n ng l ng vùng c m c a TiO2 [32],
đóng vai trị quan tr ng trong ho t đ ng quang phân h y. S chuy n e đ n các v trí Ag
làm gi m t c đ tái t h p c a các h t mang đi n và cho phép ph n ng hi u qu h n
c a các c p e và h+ b gi l i trên b m t. Tuy nhiên, pha t p quá nhi u Ag c ng có th
làm gi m ho t tính c a TiO2 vì chúng chi m các v trí ho t đ ng trên b m t c a TiO2 và e trên Ag đư liên k t v i h+ t o ra hi n t ng tái t h p. Vì v y, k t h p và kh o sát t l Ag v i TiO2/GA t o thành titan dioxit pha t p b c trên c s graphene aerogel (Ag-TiO2/GA – ATG) giúp c i thi n hi u su t quang phân h y v t li u.
C ch quang phân h y c a ATG
C ch quang phân h y c a ATG đ c th hi n hình 1.9. u tiên, các ch t ơ nhi m
h p ph lên b m t v t li u thông qua t ng tác vƠ liên k t hydro. Sau khi cân b ng h p ph -gi i h p, quá trình quang phân h y x y ra khi nh n photon ánh sáng. Khi pha t p kim lo i Ag, hi u qu quang phân h y t t h n trong vùng ánh sáng
nhìn th y do c ng h ng plasmon b m t c c b . So v i TiO2, Ag-TiO2 có đnh h p thu m nh b c sóng 420 nm và h p thu bi u ki n đ c coi lƠ đ nh dao đ ng plasmon c a Ag [35]. e b kích thích b i c ng h ng plasmon b m t c c b trên Ag-TiO2 khi ánh sáng nhìn th y đ c h p thu b i Ag. Oxy phân t trên b m t TiO2 ph n ng v i e t o ra các g c •O2 . Các đi n t đ c t o ra trên vùng CB c a TiO2 ti p t c chuy n đ n b m t c a GA khi Ag-TiO2 đính trên b m t GA. Do c u trúc liên k t , b m t GA có th nhanh chóng v n chuy n các đi n t này d n đ n t ng c ng s phân tách và h n ch tái t h p e và h+. Do đó, s ng n ch n tái t h p này giúp nâng cao hi u qu quang phân h y c a v t li u. ng th i, Ag b oxy hóa có th tái sinh b ng cách k t h p v i e t H2O, OH t o thành các g c t do •OH. Các g c t do nƠy đóng vai trị
17