Vật liệu cĩ tính ưa nước thể hiện ái lực đối với nước, hiểu một cách nơm na là vật liệu sẵn sàng hút bám nước. Bề mặt hĩa học cho phép vật liệu này thấm ướt và tạo thành lớp phim nước mỏng trên bề mặt. Trái với vật liệu kị nước, vật liệu ưa nước cĩ sức căng bề mặt của nước lớn và cĩ khả năng tạo liên kết hydro với nước.
TiO2 ở trạng thái bình thường (khơng được chiếu sáng) cĩ tính kị nước nhưng khi được chiếu sáng (ánh sáng tử ngoại) lại thể hiện tính ưa nước. Khi đĩ, electron và lỗ trống vẫn được tạo ra nhưng chúng hoạt động theo cách khác. Trong quá trình này, electron sẽ khử cation Ti4+ thành Ti3+ cịn lỗ trống sẽ oxy hĩa anion O2- tạo thành oxy nguyên tử và đưa ra khỏi mạng tinh thể, để lại một chỗ trống khuyết oxy (Hình 1.32). Các phân tử nước cĩ thể chiếm những c ống oxy vừa được tạo ra và tạo thành nhĩm -OH. Chính nhĩm -OH sẽ làm cho bề mặt TiO2 trở nên siêu ưa nước. Bề mặt vật
liệu được chiếu sáng Một số tài liệu cho
rằng, khoảng 30 phút sau khi chiếu sáng gĩc tiếp xúc của nước tiến tới 0o, cĩ nghĩa là nước sẽ trải ra tạo thành lớp phim mỏng trên bề mặt vật liệu [29].
hỗ tr
càng lâu gĩc tiếp xúc của nước càng nhỏ.
Hình 1.32: Cơ chế chuyển từ tính kị nước sang tính ưa nước của v
Mức độ ưa nước của vật liệu được đo bằng gĩc tiếp xúc c ật liệu, gĩc tiếp xúc càng nhỏ tính ưa nước càng mạnh. Hiện nay,
ật liệu TiO2 [29]. ủa nước với bề mặt
v rất ít vật liệu cĩ gĩc
được hoạt hĩa. Tuy nhiên, gĩc tiếp xúc nhỏ cũng khơng duy trì được lâu. Màng mỏng với sự cĩ mặt của chất quang xúc tác TiO2 cĩ tính chất siêu ưa nước rất thú vị. Đầu tiên, gĩ
đơn giản là chiếu t
c tiếp xúc của nước trên bề mặt TiO2 khoảng vài chục độ. Khi được chiếu sáng trong vùng tử ngoại, gĩc tiếp xúc giảm dần và cuối cùng đạt giá trị 0o. Sau đĩ, khi ngừng chiếu sáng, gĩc tiếp xúc cũng chỉ tăng lên một vài độ trong nhiều giờ mà khơng cần phải chiếu sáng. Nếu muốn giảm gĩc tiếp xúc, chỉ cần một thao tác
ia tử ngoại lên bề mặt mẫu. Tính siêu ưa nước của TiO2 là một trong những ứng dụng thực tế dễ thấy nhất của TiO2 [1].
Cĩ thể giải thích một cách đơn giản cơ chế chuyển từ kị nước sang siêu ưa nước của bề mặt vật liệu khi cĩ mặt TiO2 như sau:
Bước 1: TiO2 trong mơi trường bình thường rất dễ hấp thụ hĩa học nhĩm -OH (hydroxyl) cĩ trong hơi nước, tuy nhiên các nhĩm hydroxyl này khơng ổn định. Do đĩ chúng sẽ hút bám các phân tử kị nước tồn tại sẵn trên bề mặt vật liệu để chuyển sang trạng thái bền hơn.
Bước 2: Khi được chiếu sáng, chất xúc tác quang TiO2 sẽ phân hủy các phân tử hữu cơ kị nước tạo thành CO2, H2O hay các axit hữu cơ làm cho các nhĩm -OH lộ ra trên bề mặt.
Bước 3: Các nhĩm -OH lộ ra trên bề mặt sẽ hấp phụ vật lý, liên kết với các phân tử nước.
Bước 4: Nước bị hấp phụ vật lý sẽ đi vào trong cấu trúc bằng cách khuếch tán qua bề mặt vật liệu và được ổn định hĩa.
Sự kết hợp giữa tính quang xúc tác và tính ưa nước cĩ thể ứng dụng trong vật liệu kính chống mờ, chống bám bẩn. Như đã biết, hơi nước rất dễ làm mờ gương và kiếng do khơng khí ẩm trong mơi trường bị làm lạnh tạo thành những giọt nước đọng trên bề mặt, vì thế hình ảnh truyền qua gương hay kiếng rất mờ. Bềmặt kị nước khơng thể làm ngừng quá trình mờ kiếng trừ phi cĩ sự tác động của giĩ hay sự rung động mạnh.
õ nét hơn mà khơng cần phải cĩ giĩ hay sự lay động. [17].
Với các đặc tính cơ lý như trên, vật liệu TiO2 cho phép ứng dụng trong hướng nghiên cứu của chúng tơi về việc biến tính màng polymer Nafion nhằm giảm sự thẩm thấu của methanol qua màng. Màng mỏng nano TiO2 được phủ trên đế Nafion sẽ gĩp phần làm tăng thể tích pha ưa nước trong màng qua đĩ làm giảm thể tích của các pha cịn lại gĩp phần giảm sự thấm qua của methanol. Tính ưa nước của TiO2 cũng gĩp phần tăng khả năng giữ nước nhằm duy trì hoạt động của pin nhiên liệu DMFC trong điều kiện làm việc. Bên cạnh đĩ màng TiO2 với kích thước hạt c nomét sẽ giúp tăng đ
Ngược lại, vật liệu với lớp phủ siêu ưa nước sẽ ngăn khơng cho nước tạo thành giọt mà trải ra tạo thành một lớp phim nước mỏng trên bề mặt làm cho hình ảnh truyền qua tốt hơn, r
ỡ na
ộ bền cơ học của màng Nafion trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu DMFC.
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU VÀ
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.1 Phương pháp sol – gel