Titanium dioxide (TiO2) là một loại vật liệu rất phổ biến trong tự nhiờn. Nú là chất bỏn dẫn cú cấu trỳc tinh thể gồm ba dạng: rutile, anatase và brookite. Hai dạng thự hỡnh thường gặp nhất là rutile và anatase (hỡnh 1.9).
24
Hỡnh 1.9. ễ cơ sở và cỏc thụng số cấu trỳc pha: a) anatase và b) rutile [32]. Sự khỏc nhau về cấu trỳc tinh thể ảnh hưởng đến mật độ khối và cấu trỳc điện tử của 2 dạng tinh thể anatase và rutile, kộo theo sự khỏc nhau về tớnh chất vật lý và tớnh chất húa học của chỳng. Một số tớnh chất vật lý của dạng anatase và rutile được trỡnh bày ở bảng 1.2.
Khi TiO2 ở dạng kớch thước micromet thỡ rất bền về mặt húa học, khụng tan trong axit. Nhưng khi đưa TiO2 về dạng kớch thước nanomet thỡ TiO2 cú thể tham gia một số phản ứng với axit và kiềm mạnh.
Bảng 1.2. Một số tớnh chất vật lớ của TiO2 dạng anatase và rutile
STT Tớnh chất vật lớ Dạng anatase Dạng rutile
1 Cấu trỳc tinh thể Tứ phương Tứ phương
2 Nhiệt độ núng chảy (oC) 1800 1850
3 Khối lượng riờng (g/cm3) 3,84 4,20
4 Độ cứng Mohs 5,5-6,0 6,0-7,0
5 Chỉ số khỳc xạ 2,54 2,75
6 Hằng số điện mụi 31 114
7 Nhiệt dung riờng (cal/mol.K) 12,96 13,2
25
Titan dioxit là chất xỳc tỏc quang húa bỏn dẫn được sử dụng nhiều nhất vỡ nú cú hoạt tớnh quang húa cao, bền với ỏnh sỏng, trơ về mặt húa học và sinh học, khụng độc hại và tương đối rẻ. Vai trũ của TiO2 trong quỏ trỡnh oxi húa phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ trong nước đó được đề cập trong rất nhiều nghiờn cứu. Kết quả cho thấy dưới tỏc dụng xỳc tỏc quang của TiO2, tỉ lệ phõn hủy quang của cỏc thuốc nhuộm chứa nitơ phụ thuộc vào cấu trỳc húa học của chỳng [77]. Sự xỳc tỏc của bức xạ UV và TiO2 đó được sử dụng để phõn hủy axit Blue 40, bước khởi điểm của quỏ trỡnh phõn hủy bởi xỳc tỏc quang được xỏc định là quỏ trỡnh gốc tự do hydroxyl tấn cụng vào liờn kết cacbon-nitơ trong chuỗi anthraquinone. Liakou và cộng sự cũng đó nghiờn cứu phõn hủy quang sử dụng UV/TiO2 trờn thuốc nhuộm axit Blue 40, thuốc nhuộm cơ bản Yellow 15, thuốc nhuộm trực tiếp Blue 87, Blue 160 và thuốc nhuộm hoạt tớnh Red 120, số liệu nghiờn cứu cho thấy cơ chế oxi húa phụ thuộc vào pH và cấu trỳc húa học của từng loại thuốc nhuộm [60].
Tuy nhiờn, cũng như ZnO, nhược điểm lớn nhất của TiO2 là chỉ hoạt động trong vựng ỏnh sỏng tử ngoại. Nhằm nõng cao hoạt tớnh xỳc tỏc quang của TiO2 dưới điều kiện năng lượng mặt trời, nhiều nghiờn cứu đó tiến hành biến tớnh TiO2 nhằm giảm năng lượng vựng cấm, mở rộng sự hấp thụ ỏnh sỏng về vựng khả kiến hay giảm sự tỏi kết hợp cặp lỗ trống và electron quang sinh, tạo điều kiện thuận lợi cho quỏ trỡnh tạo gốc tự do OH
˙
, tỏc nhõn oxi húa mạnh cho cỏc phản ứng phõn hủy chất hữu cơ. Việc biến tớnh TiO2 bằng cỏc kim loại quý, kim loại chuyển tiếp, cỏc phi kim…, đó được nhiều tỏc giả đề cập và nhiều cụng trỡnh đó cụng bố [10], [37], [39], [54], [69], [72], [83], Việc biến tớnh này đó mang lại những hiệu quả nhất định trong phản ứng phõn hủy cỏc chất hữu cơ. Ngoài ra, để khắc phục nhược điểm của TiO2 trong xỳc tỏc quang, cải thiện khả năng xỳc tỏc quang phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ, một hướng nghiờn cứu mới được đặt ra. Người ta tiến hành ghộp TiO2 với một chất bỏn dẫn khỏc cú vựng cấm hẹp hơn nhưng cú đỏy vựng dẫn cao hơn vựng dẫn của TiO2, điều này sẽ giỳp cải thiện hiệu suất hấp thu năng lượng mặt trời của TiO2, đồng thời điện tử sinh ra trờn vựng dẫn của chất bỏn dẫn cú vựng cấm hẹp hơn sẽ cú thể di chuyển sang vựng dẫn của TiO2, nhờ đú giảm khả năng tỏi kết hợp của26
cặp điện tử lỗ trống. Shi và cộng sự [83] đó kết hợp TiO2 với CdS, kết quả cho thấy đó mở rộng khả năng hấp thu năng lượng mặt trời sang vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy (550 nm), cải thiện hiệu suất phõn hủy rhodamine B và metyl da cam. Fang và cộng sự [33] đó kết hợp CdSe với TiO2 ứng dụng trong điều chế vật liệu chế tạo pin mặt trời, kết quả đó thu được vật liệu cú khả năng hấp thu năng lượng mặt trời ở vựng ỏnh sỏng 430 nm. Trong khi đú Li và cộng sự [59] đó chỉ ra rằng việc kết hợp đồng thời CdS, CdSe, ZnS và TiO2 khụng những cú thể cải thiện khả năng hấp thụ quang của vật liệu mà cũn làm tăng độ bền vật liệu. Tuy nhiờn, Huang và cộng sự [41] đó chỉ ra rằng việc kết hợp CdS với TiO2 giỳp cải thiện rừ rệt khả năng xỳc tỏc quang của vật liệu thụng qua sự phối hợp năng lượng vựng cấm, nhưng cỏc hạt nano này dễ dàng kết hợp (tạo dạng khối) ảnh hưởng đến khả năng xỳc tỏc quang của vật liệu. Để cải thiện điều này, Huang và cộng sự đó phõn tỏn cỏc hạt nano CdS-TiO2 lờn trờn bề mặt cỏc ống nano cacbon. Kết quả là vật liệu CdS-TiO2/MWCNT với diện tớch bề mặt lớn hơn nhiều so với vật liệu CdS, TiO2 và CdS-TiO2 cú khả năng xỳc tỏc quang phõn hủy toluen cao hơn hẳn vật liệu CdS, TiO2 và gấp hai lần so với vật liệu CdS-TiO2.
Trong luận ỏn này, chỳng tụi tổng hợp vật liệu TiO2-CdS/SBA-15 với mong muốn tạo ra vật liệu xỳc tỏc quang mới cú khả năng hoạt động trong vựng ỏnh sỏng khả kiến và tăng diện tớch bề mặt bởi việc sử dụng những ưu điểm trong cấu trỳc của SBA-15. Vật liệu thu được cú thể khắc phục những hạn chế của TiO2 trong việc sử dụng làm chất xỳc tỏc quang phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ độc hại trong mụi trường nước.
