TiO2 là vật liệu bán dẫn vùng cấmrộng, trong suốt, chiết suất cao có rất nhiều ứng dụng về hai tính chất xúc tác quang và siêu thấm ƣớt. Trên thế giới công nghệ nano đang là một cuộc cách mạng sôi động. Các nước phát triển nhƣ Mỹ, Nhật Bản… đang dẫn đầu trong l nh vực công nghệ m i nhọn này.
Các nước chậm phát triển c ng kỳ vọng thoát nghèo nhờ công nghệ nano, trong đó nano TiO2 là một hướng nghiên cứu rất triển vọng.
1.3.1 Xử ý ị ô iễ [2,5,6,14,17]
Ô nhiễm nước ngày nay đã trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu chứ không chỉ riêng của bất kỳ quốc gia nào. Các hội thảo khoa học đã đƣợc tổ chức tại Nhật, Canada, Hoa kỳ với hi vọng sẽ nhanh chóng tìm ra hướng đi nhờ vật liệu TiO2. Ứng dụng vật liệu TiO2 vào việc xử lý các thành phần ô nhiễm trong nước được nghiên cứu rộng rãi nhất do khả năng sản sinh các gốc oxy hóa và khử mạnh khi có mặt tia UV, đặc biệt là gốcOH . Vật • liệu TiO2 có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm trong môi
19
trường nước như dẫn xuất clorit, tetraclo etylen, trihalogen metan … Trong đa số trường hợp, quá trình oxi hóa khử này dẫn đến sự vô cơ hóa hoàn toàn chất hữu cơ tạo sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Dưới tác dụng của ánh sáng, TiO2 còn có khả năng chuyển các chất vô cơ độc hại nhƣ các ion nitrit, sunfit, cianua,... thành các dạng ít độc hơn nhƣ NO3
-, SO4
2-, CO2… phân hủy bromat là chất có khả năng gây ung thư thành bromit. Người ta còn sử dụng TiO2 để xử lí các ion kim loại nặng trong nước. Khi TiO2 bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp giải phóng các điện tử hoạt động. Các ion kim loại nặng sẽ bị khử bởi điện tử và kết tủa trên bề mặt TiO2. Chất bán dẫn kết hợp với ánh sáng UV đã đƣợc dùng để loại các ion kim loại nặng và các hợp chất chứa ion vô cơ. Ion kim loại nặng bị khử đến trạng thái ít độc hơn hoặc khử đến kim loại từ đó dễ dàng tách đƣợc chúng . Ví dụ: Hg2+
2hν + TiO2 → 2e + 2h+ (1.25) Hg2+dd ↔ Hg2+hp (dd: dung dịch; hp: hấp phụ) (1.26) Hg2+hp + 2e → Hg hp (1.27)
1.3.2 Xử ý ô ô iễ [13,15]
Chúng ta cần một bầu không khí trong lành hơn là bầu không khí mà chúng ta vẫn đang sống ở các thành phố lớn, một bầu không khí không có mùi thuốc lá, khói xe, bụi. Bụi có thể ngăn chặn nhƣng khói xe và khói thuốc lá thì rất khó vì m i của chúng ta có khả năng nhận ra các phân tử mang mùi chỉ với nồng độ 0,00012 phần triệu. Nếu bằng một cách nào đó chúng ta có thể tập hợp các hạt TiO2 trên các sợi giấy để tránh vấn đề TiO2 phá hủy ngay các liên kết của sợi giấy thì chúng ta sẽ có một loại giấy đặc biệt- giấy thông minh tự khử mùi. Sử dụng các tờ giấy này tại nơi lưu thông không khí như cửa sổ, hệ thống lọc khí trong ô tô...,các phân tử mùi, bụi bẩn sẽ bị giữ lại và phân hủy chỉ nhờ ánh sáng thường hoặc ánh sáng tử một đèn tử ngoại. Ngoài ra loại giấy này c ng có tác dụng diệt vi khuẩn gây bệnh có trong không khí
20 và chúng ta sẽ có một bầu không khí lý tưởng.
1.3.3 V t i u tự à s [15,18]
Các nhà khoa học đã nghiên cứu về TiO2 từ khoảng 2-3 thập kỉ trước.
Một khía cạnh hết sức độc đáo và đầy triển vọng là chế tạo các vật liệu tự làm sạch ứng dụng cả hai tính chất xúc tác quang hóa và siêu thấm ướt. Ý tưởng này bắt nguồn khi những vật liệu c nhƣ gạch lát nền, cửa kính các tòa nhà cao ốc, sơn tường... thường bị bẩn chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng. Có những nơi dễ dàng lau chùi như gạch lát, sơn tường nhà nhưng có những nơi việc làm vệ sinh rất khó khăn nhƣ của kính các tòa nhà cao ốc, mái vòm của các công trình công cộng kiểu nhƣ nhà hát Opera ở Sydney, hay nhƣ mái của các sân vận động hiện đại ngày nay. Chúng ta vẫn ao ƣớc có đƣợc các loại vật liệu tự làm sạch để một ngày nào đó chúng ta không còn phải làm các công việc đầy nguy hiểm là leo lên các công trình này, và giờ đây các loại vật liệu này đã đƣợc thử nghiệm. Các cửa kính với một lớp TiO2 siêu mỏng, chỉ dày cỡ micro, vẫn cho phép ánh sáng thường đi qua nhưng lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ do các phương tiện giao thông thải ra. Các vết bẩn này c ng dễ dàng bị loại bỏ chỉ nhờ nước mưa, đó là do ái lực lớn của bề mặt với nước, sẽ tạo ra một lớp nước mỏng trên bề mặt và đẩy chất bẩn đi (hình 1.11).
Hình 1.11. Kính được phủ một lớp TiO2
1- Bụi bẩn, kính lớp màng chứa tinh thể TiO2
21
2- Ánh sáng mặt trời chiếu tia cực tím kích thích phản ứng quang hoá trong lớp TiO2, b gãy các phân tử bụi
3- Khi nước rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước. Nước trải đều ra bề mặt, tạo ra hiệu ứng thấm nước. Nước trải đều ra bề mặt thay vì thành giọt, cuốn theo chất bẩn đi xuống.
1.3.4 Di t vi uẩ vi rút ấ [1,13]
“Photocatalyst” có ngh a là TiO2 với sự có mặt của ánh sáng tử ngoại có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, bao gồm cả nấm, vi khuẩn, vi rút.
TiO2 có khả năng phân hủy hiệu quả đặc biệt là với số lượng nhỏ. Môi trường nhƣ phòng vô trùng, phòng mổ bệnh viện là những nơi yêu cầu về độ vô trùng rất cao, công tác khử trùng cho các căn phòng này thường được tiến hành k lƣỡng và khá mất thì giờ. Nếu trong các căn phòng này chúng ta sử dụng sơn tường, cửa kính, gạch lát nền dùng TiO2 thì chỉ với một đèn chiếu tử ngoại và chừng 30 phút là căn phòng đã hoàn toàn vô trùng.
1.3.5 i u i t á tế ào u t [1,25,47]
Ung thƣ ngày nay vẫn là căn bệnh gây tử vong nhiều nhất. Việc điều trị bằng các phương pháp chiếu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật thường tốn kém mà kết quả thu đƣợc không cao. Hiện nay TiO2 đang đƣợc xem xét nhƣ là một hướng đi khả thi cho việc điều trị ung thư. Người ta đang thử nghiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo nên các khối ung thƣ trên chuột, sau đó tiêm một dung dịchchứa TiO2 vào khối u. Sau 2-3 ngày người ta cắt bỏ lớp da trên và chiếu sáng vào khối u, thời gian 3 phút là đủ để tiêu diệt các tế bào ung thƣ. Với các khối u sâu trong cơ thể thì một đèn nội soi sẽ đƣợc sử dụng để cung cấp ánh sáng.
1.3.6 Ứ t ất si u t ấ t
Khi đi trong mưa hẳn là mọi người ai c ng khó chịu vì các giọt nước đọng lại trên cửa kính là nguyên nhân gây nên hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng làm cho chúng ta rất khó quan sát mọi vật. Trong một thời gian dài người ta
22
cứ đi theo hướng chế tạo ra các vật liệu không ưa nước để giọt nước dễ dàng gạt bỏ.
Thực tế thì bề mặt này lại tạo ra các hạt nước nhỏ và chính chúng là nguyên nhân làm cho mọi vật nhạt nhòa đi khi quan sát. Với sự khám phá ra tính chất siêu thấm nước của TiO2 chúng ta đã khám phá ra một hướng đi mới ngược lại hoàn toàn với cách làm trên. Với tính chất ưa nước của mình, lớp TiO2 bề mặt sẽ kéo các giọt nước trên bề mặt trải dàn ra thành một mặt phẳng đều và ánh sáng có thể truyền qua mà không gây biến dạng hình ảnh. Những thử nghiệm trên các cửa kính ôtô đã có những kết quả rất khả quan.
Thời tiết nồm ẩm ở miền Bắc Việt Nam làm cho kính, gương soi trong phòng tắm thường bị mờ đi rất nhanh. Đó là do các giọt nước nhỏ liti đọng lại trên bề mặt gương (hình 1.12 (a)). Nếu gương được tráng một lớp nano TiO2 thì gương sẽ không còn bị mờ nữa (hình 1.12 (b)). Khả năng chống mờ của bề mặt gương hay kính phụ thuộc vào khả năng thấm ướt của bề mặt. Bề mặt TiO2 với góc thấm ƣớt đạt gần tới 0 độ sẽ có khả năng chống mờ rất tốt. Một hướng đi nữa c ng rất khả thi là đưa TiO2 lên các sản phẩm sứ vệ sinh như bồn cầu, bồn tiểu, chậu rửa... Lớp TiO2 siêu thấm ƣớt trên bề mặt sẽ làm cho bề mặt sứ thấm ướt tốt, khi dùng chúng ta có thể tưởng tượng giống như một màng mỏng nước được hình thành trên bề mặt sứ, ngăn cản các chất bẩn bám lên bề mặt đồng thời bề mặt có ái lực mạnh với nước hơn là với chất bẩn sẽ giúp chúng ta dễ dàng rửa trôi chất bẩn đi chỉ bằng động tác xả nước.
Tính chất siêu thấm ƣớt của TiO2 còn có thể đƣợc sử dụng để chế tạo các vậtliệu khô siêu nhanh làm việc trong điều kiện ẩm ƣớt. Chúng ta biết rằng chất lỏng dễ bay hơi nhất khi diện tích mặt thoáng của chúng càng lớn.
Do tính chất thấm ƣớt tốt, giọt chất lỏng loang trên bề mặt TiO2 và sẽ bay hơi rất nhanh chóng.
23
Hình 1.12. Khả năng chống đọng sương trên tấm kính khi phủ lớp màng TiO2
(a). Tấm kính không phủ lớp nano TiO2 (b). Tấm kính có phủ lớp nano TiO2
Tóm lại, vật liệu TiO2 có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi, ngoài những ví dụ đã kể ở trên, TiO2 còn có nhiều ứng dụng khác nhƣ vải tự làm sạch, các bóng đèn cao áp trên phố, trong các đường ngầm, các barie trên đường cao tốc, hệ thống gương cầu tại các khúc quanh...Trong nhà chúng ta có thể đưa TiO2 lên các sản phẩm trong nhà bếp, phòng tắm,.. Nhiều sản phẩm nano đã được thương mại hóa như: khẩu trang nano phòng chống lây nhiễm qua đường hô hấp (Nhật Bản); máy làm sạch không khí khỏi nấm mốc, vi khuẩn, virus và khử mùi trong bệnh viện, văn phòng, nhà ở (Mỹ) ; pin mặt trời (Thụy Sỹ, Mỹ); gạch lát đường phân hủy khí thải xe hơi (Hà Lan) ... [14,15].
Ở Việt Nam, vật liệu nano TiO2 đã đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm với những thành công đáng khích lệ, nhiều công trình về vật liệu nano TiO2 đã được công bố trong và ngoài nước. Tuy nhiên, các kết quả này thiên về nghiên cứu cơ bản, việc đƣa vào ứng dụng thực tế còn bị hạn chế do cần phải vƣợt qua rào cản về hiệu quả kinh tế, khoa học và công nghệ. Phẩm chất của vật liệu nano phụ thuộc vào kích thước, kích thước lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Do đó, sự phát triển công nghệ nano phải bắt đầu từ khâu chế tạo vật liệu. Thêm vào đó, yêu cầu của nhiều ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng
(b)
(a)
24
trong l nh vực môi trường là sản phẩm phải có phẩm chất cao đi kèm với giá thành hạ. Vì vậy, cần có một sự quan tâm thích đáng đối với vật liệu nano TiO2, nhờ đó sẽ giúp chúng ta nhanh chóng có đƣợc các sản phẩm cao cấp phục vụ cho nhu cầu cấp bách trong nước và xuất khẩu. Đồng thời, thông qua các sản phẩm cụ thể này, đặt nền móng cho sự phát triển một cách thiết thực công nghệ nano tại Việt Nam và hội nhập với quốc tế trong l nh vực công nghệ m i nhọn này.