KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
3.1.3. Kết quả phân tích phổ hấp thu UV – VIS
3.1.3.1. Phổ UV – Vis của các dung dịch sol với nồng độ khác nhau của SiO2
Các dung dịch sol TiO2-SiO2 với các thành phần SiO2 khác nhau 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% lần lượt được đo xác định độ truyền qua trên máy quang phổ hấp thu tử ngoại và khả kiến UV-VIS Cary 100 (Varian – Australia).
Phổ hấp thu ở hình 3.4 cho thấy các dung dịch này hầu như trong suốt với độ truyền qua gần trong khoảng từ 88% trở lên. Cụ thể giá trị độ truyền qua của các dung dịch sol với SiO2 100%, sol TiO2-SiO2 30%, sol TiO2-SiO2 25%, sol TiO2-SiO2 20%, sol TiO2SiO2 15%, sol TiO2-SiO2 10%, sol TiO2-SiO2 5% lần lượt là 97%, 99%, 97%, 92%, 90%, 88%.
Các dung dịch sol này đều có giá trịcủa độtruyền qua giảm nhẹ khi giá trị của bước sóng ánh sáng tới giảm từ 800 đến 400 nm, và hầu như không đổi trong vùng bước sóng từ 500 – 800 nm. Đặc biệt các dung dịch sol có mặt thành phần TiO2 đều có giá trị của độ truyền qua giảm rất nhanh khi giá trị bước sóng ánh sáng tới nhỏ hơn 400 nm, và bị hấp thu hoàn toàn trong vùng tử ngoại có giá λ < 350 nm. Trong khi điều này hoàn toàn không xuất hiện với trường hợp dung dịch sol chứa 100% SiO2, tức là không tồn tại thành phần TiO2. Nguyên nhân của hiện tượng trên là do các dung dịch sol có chứa thành phần TiO2 là vật liệu có khả năng hấp thu năng lượng của ánh sáng tử ngoại gây kích thích các electron vùng hoá trị nhảy qua vùng cấm lên vùng dẫn, để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống.
LVTh.S Chương3. Kết quả và bàn luận
Hình 3.5: Phổ truyền qua của các dung dịch sol TiO2- SiO2 với các tỉ lệ khác nhau của SiO2.
Qua phổ hấp thu trên ta cũng nhận thấy khi hàm lượng SiO2 trong hệ giảm, tức là hàm lượng TiO2 tăng, độ truyền qua của dung dịch sol cũng giảm dần. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể do sự có mặt của thành phần TiO2 càng nhiều càng dễ gây ra phản ứng thuỷ phân của TiO2 với nước tạo các hạt tủa trắng li ti của các hydroalkoxide làm cho dung dịch không đạt độ truyền qua tốt.
Một đặc điểm khác ta có thể nhận thấy trên phổ UV – Vis ở hình 3.5 là khi nồng độ SiO2 tăng bờ hấp thu tại vùng tử ngoại UV cũng dịch chuyển nhẹ về phía vùng tím.
Điều này đồng nghĩa với bước sóng hấp thu cực đại λmax giảm dần, làm tăng khoảng năng lượng Eg của vùng cấm. Mặt khác theo hiệu ứng giam cầm điện tử thì các hạt có kích thước nhỏ hơn sẽ có giá trị Eg lớn hơn và λmax nhỏ hơn. Như vậy sự gia tăng nồng độ SiO2 trong dung dịch có khả năng làm giảm kích thước của các hạt rắn trong dung dịch sol, điều này sẽ được kiểm tra thêm khi khảo sát phổ XRD của các hệ sol ở phần sau.
Giá trị độ rộng vùng cấm từ phổ UV – Vis được tính toán thông qua giá trị λht xác định từ phổ ở hình 3.5. Giá trị λht này được xác định bằng cách xác định giá trị hoành độ của tiếp điểm của tiếp tuyến với đoạn đi thẳng lên của đồ thị.
Độ rộng vùng cấm được xác định bằng công thức sau:
Eg = hc/ λht ≈ 1242.19 / λht (3.2)
Bảng 3.5: Độ rộng vùng cấm của các hạt TiO2 trong các dung dịch sol có nồng độ SiO2 khác nhau.
Loại sol λmax(nm) Eg (eV) TiO2-SiO2 (5%) 352 3.53 TiO2-SiO2 (10%) 371 3.35
SiO2100%
SiO230%
SiO225%
SiO220%
SiO215%
SiO25% SiO210%
TiO2-SiO2 (15%) 363 3.42 TiO2-SiO2 (20%) 360 3.45 TiO2-SiO2 (25%) 357 3.48 TiO2-SiO2 (30%) 352 3.53
Từ các kết quả tính toán được của giá trị độ rộng vùng cấm Egta nhận thấy các giá trị Eg này đều lớn hơn so với năng lượng vùng cấm Eg của vật liệu khối Eg = 3.2 eV, tương ứng với bước sóng hấp thu cực đại là λmax= 388nm.
Thực tế bảo quản các hệ sol trên chúng tôi cũng nhận thấy, hệ sol TiO2-SiO2 có càng nhiều thành phần SiO2 càng dễ bị gel hoá, và khi bị gel hóa kết khối những hệ sol này thường có độ trong lớn hơn so với các hệ sol có ít thành phần SiO2.
Phổ UV-VIS trên chứng tỏ tính trong suốt của dung dịch sol vì thế khả năng tạo được một màng TiO2-SiO2 trên thủy tinh hoặc gạch men mà không làm ảnh hưởng đến màu sắc và các hoa văn gạch là hoàn toàn có thể.
3.1.3.2. Phổ truyền qua của các màng (với nồng độ khác nhau của SiO2) tạo thành trên kính
Các dung dịch sol với nồng độ khác nhau của SiO2 được ủ trong khoảng thời gian 2 tuần để ổn định trước khi được đem đi phủ màng bằng phương pháp phủ quay. Các màng tạo thành trên kính này được khảo sát độ truyền qua trên phổ UV – Vis.
Hình 3.6: Phổ truyền qua của các loại màng trên lam kính.
Hình 3.6 cho thấy độ truyền qua của các màng trong toàn bộ vùng khả kiến là T>80%. Do đối với các màng được khảo sát ở trên chúng tôi đã tiến hành phủ nhiều lớp nên màng bị hiện tượng giao thoa tạo từng vùng màu khác nhau trên bề mặt kính.
Vì thế độ truyền qua của màng không tốt chỉ đạt 80%, phổ truyền qua thuộc vùng nhìn LVTh.S Chương3. Kết quả và bàn luận
100%TiO2
95% TiO2 – 5% SiO2
90% TiO2 – 10% SiO2
85% TiO2 – 15% SiO2
80% TiO2 – 20% SiO2
75% TiO2 – 25% SiO2
70% TiO2 – 30% SiO2
thấy không thẳng mà có dạng mấp mô. Với loại màng mỏng chỉ được phủ một lớp chúng tôi xác định được gái trị truyền qua thường hơn 98%.
Độ truyền qua của màng là một thông số khá quan trọng, đặc biệt trong ứng dụng tạo lớp phủ lên kiếng có tính năng tự làm sạch và khả năng chống tạo sương. Lớp phủ này cần phải có độ truyền qua thật tốt thì cảnh vật nhìn qua nó mới được rõ nét, chính xác và trung thực. Như vậy màng được chế tạo từ các dung dịch sol này mang đặc tính trong suốt, ít có sự ảnh hưởng rõ rệt đến độ truyền qua cảu kính.
Cũng tương tự như với phổ truyền qua của dung dịch sol ở hình 3.5, hình 3.6 cũng cho thấy rõ sự giảm độ truyền qua của màng trong vùng bước sóng < 380nm.
Ngoài ra ta cũng nhận thấy bờ hấp thu của các màng có nồng độ SiO2 cao hơi bị dịch chuyển về phia tím so với màng có nồng độ SiO2 thấp giảm nhẹ khi tỉ lệ theo số mol của TiO2/SiO2 tăng dần.
3.1.3.3. Khảo sát phổ UV – Vis theo nồng độ PEG thêm vào dung dịch sol Các dung dịch sol với nồng độ khác nhau của dung dịch sol:
Để khảo sát sự ảnh hưởng của PEG đến độ truyền qua của dung dịch sol, chúng tôi đã tiến hành đo phổ UV – Vis của các dung dịch sol tạo được với lượng PEG thêm vào là 0,1g; 0,2g; 0,4g; 0,6g.
Qua hình 3.7 ta nhận thấy sự có mặt của PEG làm cho bờ hấp thụ tia cực tím của dung dịch sol bị dịch chuyển về phía tím hơn so với khi không có mặt PEG, và sự dịch chuyển này tăng nhẹ khi hàm lượng PEG tăng; tức là mức năng lượng vùng cấm gia tăng khi nồng độ PEG tăng. Tuy nhiên sự dịch chuyển về phía tím khi thay đổi nồng độ PEG cũng không đáng kể, điều này thể hiện ở các đường biểu diễn độ hấp thu của các nồng độ PEG khác nhay có bờ hấp thu gần như trùng khít.
Qua phổ truyền qua ta cũng nhận thấy ở trong vùng nhìn thấy (vùng Vis) khi thêm PEG vào dung dịch sol không gây ảnh hưởng đến độ truyền qua, giá trị độ truyền qua của các dung dịch sol này vào khoảng 98.5%.
PEG 0,6g PEG 40%PEG 0,4g PEG 0,2g PEG 0.1g PEG
0,0g PEG
Hình 3.7: Phổ UV – Vis của các dung dịch sol với các nồng độ PEG khác nhau.
Từ hình 3.7. ta có thể tính được các giá trị độ rộng vùng cấm của TiO2 trong dung dịch sol như sau:
Bảng 3.6: Độ rộng vùng cấm của mẫu có PEG và không có PEG.
Mẫu λht (nm) Eg (eV)
Không có PEG 351 3.54
Có PEG 343 3.62
TiO2 khối (lý thuyết) 388 3.20
Như vậy sự có mặt của PEG làm mở rộng vùng cấm của TiO2 tuy nhiên sự dịch chuyển này không lớn và ánh sáng cần để kích hoạt TiO2 nằm trong vùng tử ngoại UVA. Năng lượng vùng cấm của các dung dịch sol TiO2 tạo được có mức năng lượng vùng cấm lớn hơn nhiều so với năng lượng vùng cấm trên lý thuyết của TiO2 (Eg = 3.2eV). Điều này có thể lý giải là do các hạt TiO2 được tạo thành trong các dung dịch sol ở kích cỡ rất nhỏ bé trong thang nano nên bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng giam cầm điện tử do đó làm mở rộng độ rộng vùng cấm so với vật liệu cấu trúc khối.
Phổ truyền qua của các màng được tạo thành trên kính tử các dung dịch sol có nồng độ PEG khác nhau ở trên.
Hình 3.8: Phổ UV – Vis của các màng được tạo thành trên kính với các nồng độ PEG khác nhau.
Tương tự như các kết luận ở trên, màng được chế tạo trên kính có độ truyền qua tương đối lớn gần 90%. Do nền thủy tinh hấp thụ mạnh tia UV, nên ở phổ UV – Vis này chúng tôi chỉ khảo sát trong vùng bước sóng từ 300 – 800 nm.
LVTh.S Chương3. Kết quả và bàn luận KocóPEG
0,1g PEG 0,2g PEG 0,4g PEG 0,6g PEG