CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu điều chế bột N-TiO2 kích thƣớc nanomet
3.1.4. Vai trò của NH3 đối với quá trình điều chế
Vai trò định hướng cấu trúc và làm tăng hiệu suất quang xúc tác của NH3 đã được minh chứng trong các mục 3.1.2 và 3.1.3. Trong phần này, chúng tơi làm sáng tỏ vai trị làm giảm kích thước tinh thể, đẩy nhanh tốc độ sa lắng và nâng cao hiệu quả quá trình điều chế sản phẩm.
Thơng thường, q trình thủy phân TiCl4 được thực hiện ở 90 o
C trong vài giờ hoặc ở nhiệt độ phòng trong vài ngày (nồng độ TiCl4 0,35 M). Kết quả thực nghiệm từ mục 3.1.3 cho thấy, khi có mặt NH3 phản ứng thủy phân TiCl4 xảy ra tức thì tại nhiệt độ phịng, kết tủa sa lắng nhanh, ly tâm tách kết tủa dễ dàng, thể tích kết tủa
thu được lớn, bột sau sấy xốp, dễ nghiền, kích thước tinh thể sản phẩm giảm gần 50 % so với mẫu đối chứng. Nguyên nhân của hiện tượng trên có thể là do sự tương tác
giữa NH3, một phối tử cịn đơi điện tử tự do và cation Ti(IV) có obitan d trống, hình thành phức cation [TiO2-x(NH3)x.nH2O]x+ [5, tr.17, 39, 55, 73, 77, 138]. Sự có mặt của các ion Cl-
, NH4+ trong dung dịch có thể tạo nên lớp ion đối làm cho kích thước hạt huyền phù tăng lên. Trong các thí nghiệm của chúng tơi, với cùng lượng TiCl4, thể tích kết tủa thu được khi có mặt NH3 lớn gấp ~ 10 lần thể tích kết tủa thu được khi khơng có mặt NH3.
Độ bền của hệ phân tán phụ thuộc vào hai yếu tố trọng yếu là sự khuyếch tán và sự sa lắng của nó. Tốc độ khuyếch tán của hạt được tính bằng phương trình
Einstein [18, tr.68-69]:
KT
dC R.T V =
dx 6.Π.r.η.N [3.4] Trong đó: VKTlà tốc độ khuyếch tán của hạt, r là bán kính hạt, N là độ nhớt của dung mơi, R là hằng số khí, T là nhiệt độ Kenvin, Πlà hệ số, ηlà độ nhớt của dung dịch.
Tốc độ sa lắng của hạt được tính theo cơng thức [17, tr.57]: 2 SL 0 2 r V = (d-d )g 9 η [3.5] Trong đó: VSLlà tốc độ sa lắng, r là bán kính hạt,ηlà độ nhớt dung dịch, d là tỉ
trọng của hạt, do là tỉ trọng dung dịch, g là gia tốc trọng trường.
Các phương trình 3.4 và 3.5 cho thấy, tốc độ khuyếch tán và tốc độ sa lắng của các hạt phụ thuộc vào bán kính hạt r. Khi r tăng, tốc độ sa lắng tăng theo hàm lũy thừa bậc hai (3.5), còn tốc độ khuyếch tán của hạt giảm (3.4). Khi VSL > VKT thì hệ phân tán khơng bền, các hạt bị sa lắng nhanh chóng, q trình ly tâm tách kết tủa dễ dàng. Mặt khác, lớp vỏ ion hình thành có tác dụng ngăn cản quá trình kết tụ hạt [17], làm cho bột sau khi sấy xốp, dễ nghiền và kích thước hạt thu được giảm đi gần 2 lần so với mẫu đối chứng. Đây có thể là nguyên nhân làm cho quy trình điều chế k.N-TiO2 từ TiCl4 và NH3 trở nên đơn giản, tiết kiệm năng lượng, hiệu suất thu hồi sản phẩm cao. Điều này khơng thể có được khi chúng tơi thủy phân TiCl4 trong nước dùng NaOH làm chất điều chỉnh pH hoặc thủy phân TiCl4 có mặt H2SO4 [12].