Vật liệu bán dẫn titan dioxit (TiO2) như đã được biết đến là đại diện cho chất xúc tác quang hiệu quả phân hủy chất bẩn hữu cơ làm sạch nước, làm sạch không khí, phân tách nước tạo H2, O2, bề mặt tự làm sạch, diệt khuẩn vì hoạt tính oxi hóa mạnh và tính siêu ưa nước của nó. Tuy nhiên, khe năng lượng của TiO2 tương đối lớn (3,2 eV đối với TiO2 dạng anata và 3,05 eV đối với TiO2 dạng rutin) nên vật liệu này chỉ sử dụng được khi có kích thích ánh sáng tia tử ngoại (λ≤380 nm) mà phần ánh sáng tử ngoại này chỉ chiếm 4% trong phổ ánh sáng mặt trời . Do đó, một thách thức lớn cho các nhà khoa học trên thế giới và cộng đồng công nghiệp tham gia vào nghiên cứu vật liệu xúc tác quang là làm tăng tính nhạy phổ của xúc tác quang dựa trên cơ sở TiO2 tới miền ánh sáng nhìn thấy, để có thể sử dụng được nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có là ánh sáng mặt trời [20-142].
Hướng nghiên cứu này đã được nhiều nhóm trên thế giới tập trung nghiên cứu để chế tạo những hệ vật liệu xúc tác quang có hoạt tính cao và bước sóng kích thích nằm trong vùng khả kiến. Để đạt được mục tiêu, các nhóm nghiên cứu trên thế giới có nhiều cách tiếp cận khác nhau như: giảm kích thước hạt oxit bán dẫn để làm giảm độ rộng vùng cấm và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng cấu trúc hạt oxit đến hiệu quả của quá trình xúc tác quang [20,22,44,99]. Trong các nghiên cứu này cho thấy khi làm giảm kích thước hạt đi thì độ rộng vùng cấm của bán dẫn giảm, do đó bước sóng sử dụng cho kích hoạt tính xúc tác quang của vật liệu tăng lên dịch chuyển về bước sóng dài trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
14
Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu sử dụng phương pháp khác, đó là bằng cách pha tạp vào trong nền bán dẫn các nguyên tố kim loại hoặc phi kim để tạo ra mức năng lượng trung gian trong vùng cấm nhằm làm giảm độ rộng khe năng lượng và cho bước sóng kích hoạt dịch chuyển sang vùng bước sóng dài.
Vật liệu màng nano TiO2 dạng anata pha tạp đồng thời các nguyên tố phi kim N-F được phủ trên đế kính bằng phương pháp nhúng phủ sol-gel cho thấy có hiệu ứng siêu ưa nước tốt với góc thấm ướt θ ≈ 1,8÷2,3o khi có chiếu ánh sáng UV-Vis của đèn halogen 300W và duy trì được hiệu ứng siêu ưa nước của màng trong 30 ngày không cần phải chiếu sáng UV-Vis tiếp tục [93]. Vật liệu bột nano TiO2 dạng anata pha tạp đồng thời N, S với các nồng độ pha tạp khác nhau 1%, 2%, 3%, 4% chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt đạt được hiệu suất xúc tác quang phân hủy metyl da cam 92% dưới chiếu sáng ánh sáng mặt trời trong 6 giờ [60]. Vật liệu bột nano TiO2 pha tạp C chế tạo bằng phương pháp sol-gel, nung ở các nhiệt độ khác nhau 400oC, 500 oC, 600 oC, 700 oC, 800 oC được làm bền pha anata đến nhiệt độ nung 700 o
C, có tính chất xúc tác quang phân hủy metylen xanh đạt hiệu suất 52% sau 120 phút chiếu sáng bởi đèn vonfram-halogen 150W ở bước sóng ánh sáng nhìn thấy 400-800nm [92]. Vật liệu nano bột TiO2 pha tạp các nguyên tố đất hiếm (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Dy, Gd) chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với tỷ lệ pha tạp 0,5-10wt.% đạt hiệu suất xúc tác quang cao nhất phân hủy thuốc nhuộm orange II là 58% sau 50 phút chiếu sáng bởi đèn huỳnh quang 8W, với pha tạp 1-2wt.% Nd3+ [114]. Vật liệu nano bột TiO2 dạng anata pha tạp đồng thời 2%La(III) và 2%Fe(III) chế tạo bằng phương pháp sol- gel, đạt hiệu quả xúc tác quang phân hủy phenol 42% sau 4 giờ chiếu sáng bởi đèn kim khí halogen 300W đã được lọc ánh sáng tử ngoại, cao hơn hẳn so với đơn pha tạp 32% [140]. Vật liệu nano bột TiO2 pha tạp 1-5% Sn(IV) chế tạo bằng phương pháp vận chuyển pha hơi, sau đó nung ở nhiệt độ 300-600oC, đạt hiệu suất xúc tác quang phân hủy metylen xanh cao nhất 99% sau 60 phút chiếu sáng bởi đèn xenon 500W với nguồn ánh sáng nhìn thấy, với mẫu pha tạp 1% Sn(IV) nung ở 400oC [141]. Vật liệu nano TiO2 pha tạp bởi một số nguyên tố kim loại khác như Ag, Pt, Al, Cr, Cu, Ni… hay phi kim như Si [22,27-31,49- 52,66,86,108-110] đều làm nâng cao tính chất xúc tác quang của vật liệu bán dẫn TiO2
kích thích được ánh sáng trong vùng nhìn thấy.