Hạt nano TiO2 được biết tới với các tính chất hóa học, cơ học và vật lý đặc biệt có tính chất vượt trội so với những vật liệu hạt có kích thước lớn hơn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm lớp phủ bên ngoài, pin mặt trời và chất quang xúc tác. Trong những năm gần đây, titan dioxit được sử dụng như một xúc tác quang hóa để xử lý những vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là để loại các chất độc hại trong nước thải [11-13]. Tuy nhiên, chỉ có những bức xạ tử ngoại, chiếm khoảng 4% bức xạ mặt trời [14], ứng với các photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV mới được hấp thụ và tạo hiệu quả quang hóa. Do đó, các hướng nghiên cứu về tăng khả năng quang hóa của TiO2 trong vùng ánh sáng khả kiến được phát triển mạnh để sử dụng có hiệu quả hơn đặc tính quang hóa loại vật liệu này. Choi và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu một cách có hệ thống việc pha tạp các hạt nano TiO2 với 21 ion kim loại bằng phương pháp sol-gel và thấy rằng có sự có mặt của các ion kim loại có ảnh hưởng lớn
đến hoạt tính quang hóa, tỉ lệ tái tổ hợp của các phần tử mang điện và tỉ lệ các electron chuyển dịch giữa vùng năng lượng [54]. Cũng sử dụng phương pháp sol-gel, nhóm nghiên cứu của Li đã thực hiện pha tạp TiO2 bằng La3+ và chỉ ra rằng việc đưa La vào mạng tinh thể có thể ngăn cản sự biến đổi pha của TiO2, nâng cao độ bền thủy nhiệt, giảm kích thước tinh thể và tăng lượng Ti3+ trên bề mặt. Wang và cộng sự đưa Nd3+, Fe (III) vào mạng tinh thể và tăng lượng Ti3+ trên bề mặt. Wang dùng phương pháp thủy nhiệt và nhận thấy dạng tinh thể TiO2 anatase, brookite và một vi lượng nhỏ
khoáng chất hematite đồng tồn tại ở pH thấp (1,8 và 3,6) khi hàm lượng Fe là 0,5% và sự phân bố các ion sắt không đồng đều giữa hạt nano TiO2, nhưng ở pH = 6,0 thì hợp chất oxit sắt-titan được tạo thành khá đồng đều. Bên cạnh các phương pháp tương tự
trên, người ta còn nhận ra rằng, trong điều kiện vũ trụ các vật liệu nano chịu sự tương tác của nhiều loại bức xạ năng lượng cao như notron, photon, electron hoặc các ion có
68
thể sẽ bị thay đổi về cấu trúc, các tính chất cơ, hóa, lý… Các bức xạ, hạt có năng lượng cao còn gây ra các phản ứng hạt nhân, phân rã phóng xạ và qua đó có thể gây ra sự thay đổi về tính chất dẫn điện, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các thiết bị
làm từ vật liệu nano [15, 16]. Vì thế nhiều nghiên cứu sử dụng các nguồn phóng xạ để
cải thiện hoặc thay đổi tính chất của vật liệu nano trong đó có nano titan dioxyt đã
được thực hiện. Quá trình tổng hợp dây PAni-TiO2đơn giản và dễ dàng bằng phương pháp trùng hợp oxi hóa cảm biến bức xạ (dùng tia gamma năng lượng cao) cho thấy hạt nano TiO2 có ảnh hưởng quan trọng đến hình thái học của hợp chất. Hợp chất mới
được hình thành theo cách này có độổn định nhiệt trọng được cải thiện so với polime PAni (poli aniline) đơn chất và hứa hẹn tiềm năng cho những ứng dụng cơ bản trong công nghiệp như tích trữ điện năng hoặc làm vật liệu pin mặt trời vì đặc tính hấp thụ
và quang xúc tác tuyệt vời của chúng [17]. Bên cạnh đó, một thí nghiệm khác được tiến hành tại đại học quốc gia Tsing Hua, Hàn Quốc cho thấy sự có mặt của BaF2 trong hợp chất TiO2/ BaF2 đã tăng cường hoạt độ quang xúc tác của TiO2. BaF2 có vai trò quan trọng trong quá trình biến đổi bức xạ năng lượng cao thành ánh sáng UV cho quá trình quang xúc tác ở TiO2 [18].
Qua các nghiên cứu trên, ta thấy có thể một số đặc tính của TiO2 có thể bị thay đổi khi bị tác động bởi phóng xạ. Thế nên, luận văn này tập trung vào nghiên cứu sự thay
đổi tính chất bột nano TiO2 khi bị chiếu xạ bởi tia gamma từ nguồn 137Cs trong các khoảng thời gian khác nhau. Tính chất này được kiểm tra bằng cách so sánh khả năng phân hủy dung dịch MB của bột nano TiO2 trước và sau khi chiếu xạ và khảo sát cấu trúc bằng XDR.
3.2 Phương pháp nghiên cứu: 3.2.1 Thiết bị phân tích cấu trúc:
Nhiễu xạ kế tia X: Một trong những kĩ thuật mạnh nhất để mô tả các tính chất cấu trúc của các chất bán dẫn là nhiễu xạ tia X – XRD (X-ray diffraction). Nó được dùng để
69
xác định pha tinh thể ( cả định tính và định lượng); xác định sự định hướng của tinh thể; xác định các tính chất cấu trúc ( các hằng số mạng, ứng suất/biến dạng mạng, kích thước hạt, sự sắp xếp tinh thể, thành phần pha, sự định hướng ưu tiên, chuyển pha trật tự - không trật tự, giãn nỡ nhiệt…); đo chiều dài màng mỏng và các màng đa lớp; xác định sự
sắp xếp các nguyên tử; tìm các giới hạn dung dịch rắn hay hợp kim…Trong kĩ thuật này, mẫu được chiếu xạ bằng chùm tia X chuẩn trực, các tia X tán xạ và giao thoa khi đi qua mẫu và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ và được dò bằng detector thích hợp. Giản đồ XRD
được ghi lại phụ thuộc vào các nhân tố như sự định hướng của mẫu và detector, cấu trúc tinh thểđặc trưng của vật liệu mẫu. Giản đồ XRD là đồ thị của hàm số cường độ tán xạ tia X theo góc tán xạ, bao gồm các đỉnh của cường độ tia X tán xạ.
Nguyên lý của XRD là dùng một nguồn phát tia X phát ra tia X chiếu vào mẫu. Trong XRD, các tia X bị nhiễu xạ bởi vật liệu tinh thể theo định luật Bragg:
nλ = dsinθ
Có thể thu được thông tin sự tồn tại của các pha, cấu trúc tinh thể, các sai hỏng mạng, các kích thước tinh thể, sự định hướng tinh thể và ứng suất trong mẫu. Sự nhận dạng pha là một trong các ứng dụng thông dụng nhất của XRD, nó bao hàm việc so sánh khoảng cách dhkl và các cường độđỉnh từ phổ nhiễu xạ thu được với những chuẩn đã biết trong tư liệu. Sựđịnh hướng hạt ưu tiên có thể được xuất phát từ các cường độđỉnh tương
đối của các hướng tinh thể; ứng suất có thể được đặc trưng bởi vị trí và độ rộng của các
đỉnh nhiễu xạ; kích thước tinh thể có thểđược xác định từđộ rộng của các đỉnh nhiễu xạ. Lợi thế của XRD là việc phân tích có thể được thực hiện trong các điều kiện của môi trường và không phá hỏng vật liệu mẫu.
Kích thước tinh thể trung bình được tính theo công thức Scherrer:
[ = 0,9c
Δ}. _Z} d: kích thước hạt
70
}: góc ứng với đỉnh cực đại nhiễu xạ
Δ}: độ rộng bán cực đại đỉnh nhiễu xạ
3.2.2 Xác định hoạt độ quang xúc tác của nano TiO2: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.1: Thiết bị đo công suất ánh sáng
- Nguồn phát laser có công suất ban đầu là Wo.
- Sau khi đi qua mẫu dung dịch [xanh metilen (MB) + TiO2] công suất hấp thụ còn lại là Wđ, giá trị công suất này tỉ lệ với nồng độ MB trong mẫu.
- Gọi W1, W2 lần lượt là giá trị công suất thiết bị đo được tương ứng với mẫu chưa chiếu xạ và đã chiếu xạ.
- Nếu sau khi chiếu xạ mẫu bị kích thích thì sẽ phân hủy MB làm cho nồng MB giảm xuống, tức giá trị công suất máy đo được qua mẫu đã chiếu xạ lớn hơn chưa chiếu xạ: W2 > W1.
- So sánh độ suy giảm công suất laser trước và sau khi chiếu, có thể đánh giá được
độ suy giảm nồng độ MB.
o Nồng độ MB trong mẫu chưa chiếu xạ Co tương ứng với: ∆ = h−
o Nồng độ MB trong mẫu đã chiếu xạ Cx tương ứng với: ∆= h− - Nếu ∆ < ∆ chứng tỏ MB đã bị suy giảm sau khi mẫu được chiếu xạ. - Độ suy giảm nồng độ MB do chiếu xạđược tính là
71
3.2.3 Cân phân tích điện tử:
Ngày nay cân điện tử ra đời sử dụng kỹ thuật số và hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng nên đã giảm bớt được rất nhiều thao tác cho người phân tích.
Nguyên lý hoạt động: Vật cân kéo đĩa cân xuống với lực F = mg (m: khối lượng của vật cân, g: gia tốc trọng trường). Cân điện tử sẽ dùng một lực phản hồi điện tử để kéo đĩa cân về
vị trí ban đầu của nó. Khi đặt vật cân vào đĩa cân, do khối lượng của vật cân kéo đĩa cân xuống, điều đó sẽ được detector phát hiện và gửi tín hiệu đến bộ chỉnh dòng, dòng phản hồi
được sinh ra đưa tới động cơ trợ. Dòng điện cần thiết để sinh ra lực phản hồi tỉ lệ với khối lượng của vật và được hiển thị trên màn hình hiện số.
Hình 3.2 Thiết bị cân phân tích điện tử
72
3.3 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ: 3.3.1 Hóa chất, dụng cụ:
- Titan dioxit xuất xứ Trung Quốc, Đức, phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội.
- Xanh Metilen bột + loãng (Trung Quốc). - Nước cất
- Nguồn phóng xạ137Cs (10mCi)
- Nguồn sáng laser đỏ ( λ = 630 – 650 µm)
- Ống nghiệm; bình tam giác, cốc có mỏ bằng thủy tinh, dung tích 100ml - Lọ thủy tinh 50ml
- Đũa, thìa múc hóa chất thủy tinh - Ống pipet nhựa
- Giấy lọc
3.3.2 Thiết bị
- Thiết bị phân tích mẫu bằng nhiễu xạ kế tia X: Máy Brucker D5005 (Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN).
- Thiết bịđo công suất ánh sang Laser SANWA LP1 (Bộ môn Vật lý ứng dụng, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN).
- Cân phân tích điện tử hiện số (độ chính xác 10-4) (Bộ môn Vật lý hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Buồng chiếu xạ tia gamma (Bộ môn Vật lý hạt nhân, trường Đại học Khoa học Tự
73
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN