Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hoá cho sơn xây dựng

Bộ xây dựng
Viện vật liệu xây dựng







Báo cáo kết quả đề tài nghiên cứu
Theo nghị định th việt nam-trung quốc

Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano
xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng



Chủ nhiệm đề tài: TS. Mai Ngọc Tâm

7454
15/7/2009





Hà Nội - 2009

Bé x©y dùng
ViÖn vËt liÖu x©y dùng








B¸o c¸o tæng kÕt

®Ò tμi

Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ nano xóc
t¸c quang hãa cho s¬n x©y dùng

Hμ néi 12-2008


Bộ xây dựng
Viện vật liệu xây dựng








Báo cáo tổng kết

đề ti

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc
tác quang hóa cho sơn xây dựng

Chủ nhiệm đề ti: TS. Mai Ngọc Tâm
Các cộng tác viên:
1) KS. Trần Quốc Huy
2) KS. Phạm Đức Nhuận
3) Th.S. Trần Thu H



H Nội, ngy tháng năm 2009
Viện Vật liệu xây dựng














Mục lục

Trang
Mở đầu

1
Phần I
Tổng quan về việc ứng dụng công nghệ v
vật liệu nano cho sơn v lớp phủ trong vật
liệu xây dựng
4
1.1 Vật liệu nano xúc tác quang hóa
4
1.1.1 Xúc tác quang hóa v cơ chế của xúc tác quang hoá

4
1.1.2 Vật liệu nano xúc tác quang hóa Titan dioxyt (TiO
2
)
5
1.1.3 Phơng pháp điều chế nano TiO
2
xúc tác quang hóa
8
1.1.3.1. Các phơng pháp chế tạo vật liệu nano
8
1.1.3.2. Điều chế nano TiO
2
bằng phơng pháp Sol-gel
10
1.2. Những ứng dụng của vật liệu nano xúc tác quang hóa
12
1.2.1. Những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

12

1.2.2. Những ứng dụng nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng
13
1.2.3.
ứng dụng của bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong sơn
diệt khuẩn
14
1.2.4.
ứng dụng của bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong sơn tự
lm sạch
16
1.2.5.
ứng dụng vật liệu nano TiO
2
xúc tác quang hóa để lọc không
khí v phân hủy các độc tố
19
1.2.6. Một số thnh tựu nghiên cứu v ứng dụng bột nano TiO
2
xúc
tác quang hóa cho sơn v lớp phủ tại Trung Quốc
20
1.2.7. Tình hình nghiên cứu v ứng dụng công nghệ v vật liệu
nano TiO
2
xúc tác quang hóa ở Việt Nam.
23

1.3. Sơn xây dựng v thnh phần cơ bản của sơn
24

Phần II
Nội dung v phơng pháp nghiên cứu

27
2.1 Nội dung nghiên cứu
27
2.1 Phơng pháp nghiên cứu
28
2.3 Nguyên vật liệu, hóa chất sử dụng
29
Phần III
Các kết quả nghiên cứu
31
3.1 nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa trong điều
kiện khí hậu việt nam
31
3.1.1 Nghiên cứu định tính hoạt tính xúc tác quang hóa của nano
TiO
2
trong điều kiện khí hậu Việt Nam
32
3.1.2 Nghiên cứu định lợng hoạt tính xúc tác quang hóa của nano
TiO
2
trong điều kiện khí hậu Việt Nam
34
3.2 Nghiên cứu lựa chọn thnh phần cấp phối sơn nano xúc

tác quang hóa
37
3.2.1 Lựa chọn thnh phần, cấp phối cho sơn
37
3.2.2 Xác định tỷ lệ xúc tác tối u trong thnh phần sơn nano
39
3.2.3 Chế tạo sơn nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong phòng thí
nghiệm
41
3.2.4 Kết quả khảo sát thnh phần cấp phối v các tính chất của
sơn nano
43
3.3 Nghiên cứu các tính năng của sản phẩm sơn nano
45
3.3.1 Tính năng diệt khuẩn của sơn nano
45

3.3.1.1.
Khảo sát khả năng diệt khuẩn của sơn nano trong môi trờng
nuôi cấy vi sinh vật
45
3.3.1.2. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của sơn nano trong môi trờng
không khí
50
3.3.2 Tính năng tự lm sạch của sơn nano
55
3.3.3. Khả năng lm sạch không khí của sơn nano
57

3.4 Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo sơn nano
58
3.4.1. Sơ đồ công nghệ
50
3.4.2. Mô tả công nghệ
60
3.5. Sản xuất v thử nghiệm sơn diệt khuẩn v sơn tự lm
sạch

60
3.5.1. Sản xuất thử sơn ngoi trời (sơn tự lm sạch)
61
3.5.2. Sản xuất thử sơn trong nh (sơn diệt khuẩn)
63
3.5.3. Thử nghiệm sơn tự lm sạch
64
3.5.4. Thử nghiệm sơn diệt khuẩn

65
3.5.5
Tính toán hiệu quả kinh tế của sơn nano xúc tác quang hóa
65

Phần IV
Kết luận v kiến nghị
70
Ti liệu tham khảo
72

Lời cám ơn
Trong quá trình thực hiện đề ti. Nhóm đề ti đã nhận đợc nhiều sự hợp tác giúp đỡ
rất tận tình v quý báu của các cơ quan, tổ chức sau:
1) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác chân thnh của Viện hn lâm khoa học vật liệu
Trung Quốc cũng nh các giáo s tiến sỹ Sui Tong Bo v Ji Zhijiang v các đồng
nghiệp khác của CBMA với t cách l đối tác của đề ti trong chơng trình hợp
tác KHCN theo Nghị định th giữa 2 Chính phủ Việt Nam v Trung Quốc.
2) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Tiến sỹ Lê Mai Hơng - Phó Viện trởng,
Trởng phòng Hoạt chất sinh học - Viện Hóa hợp chất tự nhiên -Viện KHCN Việt
Nam trong việc thử nghiệm tính năng diệt khuẩn của sơn nano
3) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện KHCN Việt
Nam trong việc đo v thử nghiệm độ bền thời tiết của sơn nano.

4) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Phòng thí nghiệm trọng điểm vật
liệu polymer composite của Trung tâm nghiên cứu vật liệu polymer - Trờng Đại
học Bách khoa thnh phố Hồ Chí Minh trong việc đo góc tiếp xúc của bề mặt sơn
v thử nghiệm một số tính chất của mng sơn nano.
5) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Phòng Hóa Phân tích -Viện Công
nghệ hóa học - Phân viện KHCN Việt Nam tại thnh phố Hồ Chí Minh trong việc
đo xác định hm lợng của xanh methylene để đánh giá mức độ hoạt tính của xúc
tác quang hóa nano TiO
2
.
6) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Phòng thí nghiệm Nano - Trờng đại học
KHTN thnh phố Hồ Chí Minh trong việc phân tích ảnh kính hiện vi điện tử quét
(SEM) của vật liệu nano xúc tác quang hóa nano TiO
2
.
7) Xin trân trọng cám ơn Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm - thuộc Sở Khoa
học công nghệ TP. Hồ Chí Minh trong việc phân tích hơi formaline để đánh giá
mức độ lm sạch không khí của sơn nano xúc tác quang hóa.
8) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lờng
chất lợng 3 (QUATEST 3) trong việc phân tích thử nghiệm một số tính chất của
mng sơn nano.
9) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Trung tâm phân tích Kiểm nghiệm
Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng trong việc phân tích đánh giá cấu trúc v
thnh phân pha của vật liệu nano TiO
2
bằng phơng pháp nhiễu xạ tia X.
10) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của công ty Sơn á Đông trong
việc sản xuất thử nghiệm 200 kg sơn nano xúc tác quang hóa.
11) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Công ty TNHH Thơng mại Him Lam tại
Tp. Hồ Chí Minh trong việc thử nghiệm đáng giá chất lợng sơn tự lm sạch.

12) Xin trân trọng cám ơn sự quan tâm giúp đỡ của các cơ quan quản lý đề ti của
Bộ Khoa học Công nghệ, Bộ Xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng



________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
1
Mở đầu

Trong thời gian 20 năm trở lại đây, công nghệ nano đã đợc quan tâm v phát
triển rất nhanh chóng trên thế giới với những tiềm năng ứng dụng rất lớn trong
nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực vật liệu xây dựng. Có thể so sánh sự phát triển
nhanh chóng số lợng các công trình nghiên cứu v ứng dụng công nghệ nano vo
đời sống của chúng ta đầu thế kỷ 21 tơng tự nh sự phát triển nhanh chóng của
công nghệ bán dẫn, công nghệ vi mạch vo cuối thế kỷ 20.
Ngy nay, công nghệ v vật liệu nano đã đợc ứng dụng để chế tạo ra nhiều
loại vật liệu mới có tính năng đặc biệt nh nano composite, ứng dụng trong công
nghiệp chế tạo vi mạch v bán dẫn hoặc nano xúc tác quang hóa.Trong đó nano
xúc tác quang hóa l một trong những lĩnh vực phát triển nhanh v có nhiều ứng
dụng trong đời sống. Với việc sử dụng bột Nano TiO
2
ngời ta đã chế tạo ra nhiều
lớp phủ có tính năng đặc biệt nh: khả năng lm sạch không khí, khả năng diệt
khuẩn, chống rêu mốc, các lớp phủ chống bám dính v tự lm sạch
. Những lớp
phủ ny đã đợc dùng để phủ trên kính, bề mặt gốm sứ vệ sinh, mặt ngoi của xe
ô tô, sơn tờng trong v tờng ngoi của các công trình xây dựng. Với những
đặc tính tuyệt vời nh trên các loại sơn xúc tác quang hóa TiO

2
đã đợc kỳ vọng
l sản phẩm lý tởng để lm sạch môi trờng trong thế kỷ 21. Tại nhiều nớc có
trình độ khoa học phát triển nh Mỹ, Nhật v Tây Âu hiện nay đang dẫn đầu về
số lợng các công trình nghiên cứu cũng nh các bằng sáng chế về vật liệu nano
xúc tác quang hóa TiO
2
. Thị trờng các sản phẩm xúc tác quang hóa trên thế giới
hiện nay đang phát triển rất mạnh. Nếu nh năm 2000 doanh số của sản phẩm xúc
tác quang hóa cha đáng kể thì đến năm 2003 doanh số bán ra đã đạt 1 tỷ USD
[1]. Tại các nớc châu á nh Nhật Bản, Hn Quốc các sản phẩm nano xúc tác
quang hóa đã trở nên phổ biến trên thị trờng. Trung Quốc đã bắt đầu nghiên cứu
vật liệu nano xúc tác quang hóa từ những năm 1992. Từ đó đến nay nh nớc
Trung Quốc đã cấp kinh phí cho khoảng 863 đề ti nghiên cứu về vật liệu nano
xúc tác quang hóa [2]. Trong các nhóm nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano xúc
tác quang hóa của Trung Quốc thì Viện Hn lâm khoa học vật liệu Trung Quốc
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
2
(China Building Material Academy CBMA) l một đơn vị rất mạnh về nghiên
cứu ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang hóa để chế tạo một số sơn có tính năng
đặc biệt nh: Sơn diệt khuẩn, Sơn Ion âm lọc không khí, Sơn tự lm sạch, Đến
nay các sản phẩm sơn v lớp phủ sử dụng bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa của
Trung Quốc đã đợc bán trên thị trờng của Trung Quốc với giá cả rất cạnh tranh
so với các sản phẩm nano xúc tác quang hóa cùng loại của châu Âu v Mỹ.
Mối quan hệ hợp tác giữa Viện Vật liệu xây dựng Bộ Xây dựng v Viện
Hn lâm khoa học Vật liệu Trung Quốc (CBMA) đã có từ lâu v l mối quan hệ

truyền thống. Từ năm 2002 Viện Vật liệu xây dựng v CBMA đã hợp tác rất hiệu
quả trong thực hiện đề ti nghiên cứu chung về Bê tông cờng độ cao. Tiếp theo
sự hợp tác ny, 2 bên đã thống nhất hợp tác trong lĩnh vực mới đó l nghiên cứu
ứng dụng công nghệ v vật liệu nano trong vật liệu xây dựng.
Với mục tiêu tiếp cận, lm chủ v ứng dụng những công nghệ mới tiên tiến
trong việc chế tạo vật liệu xây dựng, Viện VLXD đã đề xuất hợp tác với Viện
Hn lâm KH Vật liệu xây dựng Trung Quốc (CBMA) trong việc nghiên cứu ứng
dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng trong thời gian 2 năm
(từ 2006-2007) v đã đợc Bộ Khoa học Công nghệ giao chủ trì thực hiện đề ti
hợp tác chung Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn
xây dựng. Đề ti đã thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản sau:
- Nghiên cứu các tính chất v hoạt tính xúc tác quang hóa của bột Nano TiO
2

trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
- Nghiên cứu chế tạo bột nano TiO
2
v thử nghiệm các tính chất xúc tác quang
hóa của sản phẩm chế tạo đợc, so sánh với sản phẩm cùng loại của nớc ngoi.
- Nghiên cứu thnh phần phối liệu để chế tạo 2 loại sơn diệt khuẩn v tự lm
sạch có chứa bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa.
- Nghiên cứu các tính chất của sản phẩm sơn nano xúc tác quang hóa: Thử
nghiệm tính năng diệt khuẩn, tính năng tự lm sạch, tính năng phân hủy các độc
tố, độ bền thời tiết
________________________________________________________________________________
BC TK §T: “Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ nano xóc t¸c quang hãa cho s¬n x©y dùng ”, VIBM-
CBMA, 2008.
3

- X©y dùng qui tr×nh c«ng nghÖ s¶n xuÊt hai lo¹i s¬n nano t−êng trong vμ
t−êng ngoμi.
- S¶n xuÊt vμ thö nghiÖm s¬n nano ë qui m« pilot.

Phần I
Tổng quan về việc ứng dụng công nghệ v vật
liệu nano cho sơn v lớp phủ trong xây dựng

1.1. Vật liệu nano xúc tác quang hóa

1.1.1. Xúc tác quang hóa v cơ chế của xúc tác quang hoá.
Xúc tác quang hóa l khả năng sử dụng năng lợng của quang tử ánh sáng
để thúc đẩy các quá trình hóa học (chủ yếu l quá trình oxy hóa v quá trình khử)
trên bề mặt của hạt xúc tác đó.
Trong tự nhiên, cây cối sử dụng năng lợng của ánh sáng mặt trời để quang
hợp trong đó bao gồm quá trình oxy hóa nớc để tạo ra oxy v khử khí CO
2
để tạo
ra các phân tử các bon hydrate nh cellulose, đờng v hng loạt các hợp chất
khác cần thiết cho sự sống [3]. Nghiên cứu quá trình quang hợp tự nhiên của thực
vật, con ngời đã phát minh ra những ứng dụng khả năng quang hóa khác m
ngy nay đã trở thnh phổ biến, ví dụ nh chế tạo các chất tiếp nhận v chuyển
hóa năng lợng ánh sáng thnh điện năng sử dụng năng lợng mặt trời.

Hình 1: Cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa nói chung [4, 5]
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
4
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
5
Hình 1 trình bầy cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa nói chung m
theo đó dới tác dụng của năng lợng ánh sáng h
g, các điện tử trong lớp vỏ hóa
trị của kim loại chuyển tiếp sẽ bị kích động v dịch chuyển từ các mức năng
lợng của dải hóa trị lên dải dẫn điện cao hơn. Khi đó các hạt xúc tác sẽ mất điện
tử v để lại lỗ trống tích điện (h
+
), từ đó dẫn đến bề mặt của xúc tác sẽ bị tích điện
v có nhu cầu trao đổi điện tử từ các chất đang tiếp xúc trên bề mặt của xúc tác
nh O
2
hoặc H
2
O. Tiếp theo đó sẽ xảy ra các quá trình oxy hóa hoặc khử trên bề
mặt của chất xúc tác. Kết quả của 2 quá trình ny sẽ tạo ra những tác nhân oxy
hoá ở dạng gốc cực mạnh nh O
2
.
, OH
.

, các gốc tự do ny mạnh gấp hng trăm
lần các chất oxy hoá cơ bản hiện nay nh clo, ozone. Nhờ khả năng oxy hoá cực
mạnh ny m xúc tác quang hóa có thể phân huỷ hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí
thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu hoặc khi tiếp xúc với bề
mặt của xúc tác quang hóa thnh những chất vô hại nh: CO
2
, H
2
O.
Có nhiều chất có khả năng xúc tác quang hóa. Đa số các chất ny l oxyt
của các kim loại trong nhóm chuyển tiếp của bảng hệ thống tuần hon Mendeleep
nh TiO
2
, ZnO
2
, WO
3
, FeTiO
3
, SrTiO
3
[4, 5], trong đó TiO
2
l chất có khả năng
xúc tác quang hóa mạnh nhất v đợc quan tâm nghiên cứu v ứng dụng nhiều
nhất vì những lý do sau;
- L chất có giá thnh rẻ;
- Có khả năng phát huy tác dụng xúc tác quang hóa nhanh ở điều kiện bình
thờng (nh nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển);
- Có khả năng oxy hóa đợc nhiều loại tạp chất hữu cơ (trong dải rộng)

thnh nớc v CO
2
;
- Không sinh ra các sản phẩm phụ độc hại trong quá trình của xúc tác
quang hóa.

1.1.2. Vật liệu nano xúc tác quang hóa Titan dioxyt (TiO
2
)
Titan dioxyt, thông thờng l một chất rất quen thuộc trong đời sống hng
ngy của chúng ta. Đã từ lâu bột TiO
2
đã đợc dùng để lm bột mu trắng cho
sơn, mỹ phẩm, kem đánh răng v thậm chí cho cả thực phẩm. Trong thực tế TiO
2

tồn tại ở 3 dạng tinh thể l rutile, anatase v brookite. Hình 2 trình bầy cấu trúc
của dạng tinh thể nói trên của TiO
2
với nguyên tử Ti l những quả cầu nhỏ còn
nguyên tử O l những quả cầu lớn. Ba dạng tinh thể ny có các thông số cấu tạo
khác nhau đợc trình bầy tại bảng 1


Rutile Anatase Brookite
Hình 2: Cấu trúc của 3 dạng tinh thể TiO
2
[6]

Bảng 1: Các thông số cấu tạo của 3 dạng tinh thể TiO

2
[6]
Dạng tinh thể TT Thông số cấu tạo
Rutile Anatase Brookite
1 Cấu tạo tinh thể Tứ diện Tứ diện Bát diện
2 kích thớc mạng lới tinh thể
(A
o
)
a= 4,5936
c=2,9587
a= 3,784
c=9,515
a= 9,184;
b=5,447
c= 5,145
3 Đơn vị TiO
2
2 4 8
4 Độ di liên kết Ti-O (A
o
) 1,945(4);1,980(2)
1,937(4);
1,965(2)
1,87-2,04
5 Góc liên kết O-Ti-O (A
o
) 81,2
o
; 90

o
77,7
o
; 92,6
o
77,6 -105
6 Tỷ trọng (g/cm
3
) 4,13 3,79 3,99

Khi so sánh cấu trúc v các thông số của 3 dạng tinh thể chúng ta có thể
thấy rằng rutile v anatase đợc cấu tạo bởi cấu trúc tứ diện nhng rutile gồm 2
đơn vị TiO
2
tạo thnh còn anatase gồm 4 đơn vị TiO
2
tạo thnh. Trong 3 dạng trên
thì rutile có cấu trúc bền vững hơn cả, còn 2 dạng còn lại kém bền hơn. ở điều
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
6
kiện nhiệt độ cao hơn 700
o
C thì anatase v brookite đều chuyển về dạng rutile.
Giữa rutile v anatase thì anatase có tỷ trọng thấp hơn v có bề mặt riêng lớn hơn.
Trong nhiều công trình nghiên cứu trớc đây, ngời ta đã khẳng định khi tinh thể
của TiO
2
ở kích thớc nano (từ 1-100 nm) sẽ có hoạt tính xúc tác quang hóa [4, 5,

6]. Tuy nhiên mức độ hoạt tính xúc tác của ba dạng tinh thể rất khác nhau v
dạng tinh thể anatase có hoạt tính mạnh nhất. Điều ny đợc giải thích do dạng
tinh thể ny có cấu trúc tinh thể kém bền hơn nên mức độ hoạt động cao hơn [6].
Hầu hết bột TiO
2
xúc tác quang hóa đều l dạng tinh thể anatase còn rutile thờng
chỉ đợc sử dụng nh l các chất pigment (Chất mu trắng) cho sơn v các sản
phẩm khác.
Hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO
2
cũng tuân theo cơ chế đã trình
bầy ở hình 2, v đợc giải thích rõ hơn trong hình 3 v các phơng trình (1), (2),
(3) [4].
TiO
2
+ hv (>3.2Ve) e
-
cb + h
+
vb (1)

h
+
+ H
2
O
.
OH + H
+
(2)

e
-
+ O
2
O
2
(3)



Hình 3: Cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa Nano TiO
2
[1]

Khi hạt nano TiO
2
xúc tác quang hóa tiếp nhận năng lợng của quang tử sẽ xảy ra
quá trình thay đổi diện tích v tạo nên các gốc oxy hóa mạnh nh OH

2
v O
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
7
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
8

nh trình bầy tại phơng trình hóa học (1), (2), (3). Với hạt nano TiO
2
thì hng
ro năng lợng m điện tử có thể vợt qua ở mức Eg = 3.2 eV. Nh vậy chỉ cần
một bức xạ có mức năng lợng > 3,2 eV (tơng đơng với bớc sóng l=388 nm,
trong vùng ánh sáng tử ngoại) l có thể kích hoạt vật liệu nano TiO
2
trở thnh xúc
tác quang hóa [4].
Trên thị trờng thế giới hiện nay đang bán một số sản phẩm nano TiO
2
xúc
tác quang hóa của một số nớc nh: Mỹ, Đức, Nhật. Các loại sản phẩm xúc tác
quang hóa TiO
2
nói trên đợc trình bầy tại bảng 2. Ngoi ra Trung Quốc, Hn
Quốc cũng có các sản phẩm cùng loại. Nhìn chung hầu hết các sản phẩm xúc tác
quang hóa đều l 100% dạng anatase. Chỉ duy có sản phẩm Degussa P-25 của
Đức l hỗn hợp bao gồm 70% anatase v 30% rutile.

Bảng 2: Một số sản phẩm nano xúc tác quang hóa trên thị trờng thế giới [5]
Sản phẩm P-25
TPK-
101
TPK-
103
AMT-
100
A-DW-1 A-K-1
Nh cung

cấp
Degussa
(Đức)
Tayca
(Nhật)
Tayca
(Nhật)
Tayca
(Nhật)
Kerr McGee
(Mỹ)
Kerr Mc Gee
(Mỹ)
Thnh
phần pha
70% Anatase
30% Rutile
Anatase Anatase Anatase Anatase Anatase
% TiO
2
99,5 83,6 90,3 92,8 90 97
Tạp chất
(%)
Al
2
O
3
0.3%
SiO
2

0,2%
Fe
2
O
3
0,01%
- - -
WO
3
=10%
SO
4
=2%
NaO
2
=100ppm
K
2
O=100ppm
SO
4
=2%
Na
2
O=100ppm
Diện tích
bề mặt
riêng
(m
2

/g)
50 254 300 293 90 90


1.1.3. Phơng pháp điều chế nano TiO
2
xúc tác quang hóa
1.1.3.1. Các phơng pháp chế tạo vật liệu nano:
Do những ứng dụng rất đặc biệt của nano xúc tác quang hóa TiO
2
nên việc
chế tạo vật liệu TiO
2
kích thớc nano đợc quan tâm nghiên cứu rất nhiều v hiện
nay có một số phơng pháp điều chế nano TiO
2
. Có thể tóm tắt phơng pháp chế
tạo vật liệu nano bằng 2 phơng pháp chính nh sau [3]: phơng pháp từ trên
xuống (Top-down) v phơng pháp từ dới lên (Bottom-up) nh mô phỏng ở hình
4.

Phơng pháp từ trên xuống (Top-down)
Phơng pháp từ dới lên (Bottom-up)
Kích thớc nanomet


Hình 4: Sơ đồ mô phỏng 2 phơng pháp điều chế vật liệu kích thớc nano [3]

Phơng pháp từ trên xuống (Top-down) l phơng pháp tạo kích thớc hạt
nano từ những hạt có kích thớc lớn hơn còn phơng pháp từ dới lên (Bottom-

up) l phơng pháp hình thnh hạt nano từ các phân tử
Phơng pháp Top-down: có u điểm l đơn giản, rẻ tiền v hiệu quả có thể chế
tạo đợc một lợng lớn vật liệu nhng tính đồng nhất của vật liệu không cao.
Trong phơng pháp ny việc nghiền hoặc phá vỡ vật liệu từ kích thớc to đến kích
thớc nhỏ dần bằng máy nghiền cho đến kích thớc nano v cuối cùng ta thu
đợc vật liệu nano không chiều (hạt nano). Ngoi ra tùy theo các mục đích khác
ngời ta có thể sử dụng các phơng pháp tơng tự để tạo ra vật liệu ở dạng lớp
hoặc dạng có kích thớc nano.
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
9
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
10
Phơng pháp Bottom-up: l phơng pháp tạo thnh vật liệu nano từ các nguyên tử
hoặc ion. Đây l phơng pháp đợc quan tâm phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh
động v chất lợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano m chúng
ta dùng hiện nay đều đi từ phơng pháp ny. Phơng pháp từ dới lên có thể l
phơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả 2 phơng pháp hóa-lý.
- Phơng pháp vật lý tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc quá trình chuyển pha.
Nguyên tử để hình thnh vật liệu nano đợc tạo ra từ quá trình vật lý nh: bốc bay
nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang), quá trình chuyển pha (vật liệu đợc
nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đợc trạng thái vô định hình, xử
lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình thnh tinh thể (kết tinh) có kích thớc
nano. Phơng pháp vật lý thờng để tạo ra các hạt nano, mng nano).
- Phơng pháp hóa học l phơng pháp tạo vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc
Ion. Phơng pháp ny rất đa dạng, tùy thuộc vo vật liệu cụ thể m ngời ta thay
đổi kỹ thuật chế tạo vật liệu cho phù hợp. Trong phơng pháp ny có thể hình

thnh vật liệu từ pha lỏng (kết tủa, Sol-gel) v từ pha khí (nhiệt phân). Phơng
pháp ny cũng có thể tạo ra các hạt nano, dây nano, ống nano, mng nano, bột
nano
- Phơng pháp kết hợp l việc tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý v
hóa học nh điện phân, ngng tụ từ pha khí.
1.1.3.2. Điều chế nano TiO
2
bằng phơng pháp Sol-gel:
Nh đã trình bầy ở trên, có nhiều phơng pháp điều chế vật liệu nano TiO
2
,
trong đó phơng pháp sol-gel đợc dùng phổ biến nhất hiện nay để chế tạo vật
liệu nano. Trong phơng pháp ny các chất nguyên liệu của phản ứng đợc phân
tán trong môi trờng sol-gel với một mức độ đồng nhất cao sẽ tạo ra sản phẩm có
các thông số rất thích hợp cho việc tạo thnh mng mỏng sau ny khi áp dụng cho
mng phủ. Để chế tạo ra nano TiO
2
ở dạng anatase một số nh nghiên cứu [7, 8, 9,
10] đã sử dụng các hợp chất hữu cơ của titan nh titanate. Các gốc hữu cơ R của
titanate có thể l - C
3
H
7
(propyl) hoặc C
4
H
9
(butyl).

Ti(OR)

4
+ 4H
2
O > Ti(OH)
4
+ 4ROH
Ti(OH)
4
> TiO
2
+ 2H
2
O

Theo các quá trình hóa học trên thì lúc đầu Titanate sẽ bị thủy phân tạo thnh
Titanium hydroxyt ở dạng gel. Để tạo môi trờng sol-gel ngời ta thờng thực
hiện phản ứng thủy phân titanate trong các dung môi hữu cơ nh Ethanol,
Propanol, propylene glycol. Sau đó gel ớt ny sẽ đợc lọc, rửa, sấy khô thnh
bột TiO
2
vô định hình. Quá trình nung xử lý nhiệt sau cùng sẽ cho sản phẩm TiO
2

tinh thể. Tùy theo điều kiện nung sẽ quyết định TiO
2
ở dạng cấu trúc tinh thể no,
l Rutile hay l anatase bởi trong quá trình nung sẽ diễn ra nh sau
[3]:
TiO
2

(
Vô đ
ị
nh hình
)
(
Anatase
)
(Rutile)
(400-480
o
C) (690-740
o
C)
TiO
2
TiO
2

Nh vậy ban đầu từ vô định hình TiO
2
sẽ chuyển sang dạng anatase trớc ở
điều kiện nhiệt độ từ 480-690
o
C v sau đó nếu quá trình tăng nhiệt độ vẫn tiếp tục
thì ở nhiệt độ cao hơn dạng anatase vừa mới hình thnh sẽ chuyển dần sang dạng
rutile. Trong thực tế, để chế tạo nano xúc tác quang hóa TiO
2
ngời ta phải khống

chế điều kiện nung chỉ từ 400-700
o
C l thích hợp để tạo thnh anatase.

Hình 5 : Kết quả phân tích XRD của các mẫu kết tủa nano anatase TiO
2
:
a) mẫu sấy ở nhiệt độ phòng, b) mẫu nung ở nhiệt độ 500
o
C ; c) mẫu nung ở
nhiệt độ 600
o
C [8]
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
11
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
12
Hình 5 trình bầy quá trình nung kết tủa của phản ứng thủy phân TiCL
4
tạo
thnh tinh thể anatase của TiO
2
của các nh nghiên cứu tại Trờng đại học
Tsinghua, Bắc Kinh, Trung Quốc. Kết tủa thu đợc sau khi sấy khô ở dạng vô
định hình, nung ở 500
o

C v 600
o
C kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy ở
500
o
C đã bắt đầu hình thnh tinh thể anatase v quá trình ny kéo di đến 600
o
C.
Giản đồ nhiễu xạ tia X đã chỉ rõ mẫu sản phẩm sau khi nung có các pic đặc trng
của tinh thể anatase [8]. Điều ny khẳng định rằng quá trình nung v nhiệt độ
nung l yếu tố rất quan trọng để tạo thnh tinh thể anatase.
Thờng thì các hợp chất Titanate gốc hữu cơ rất đắt tiền nên sẽ tạo ra sản
phẩm có giá thnh cao. Trong một số nghiên cứu gần đây một số tác giả đã thnh
công trong việc chế tạo nano xúc tác quang hóa TiO
2
từ muối vô cơ nh TiCl
4

hoặc Ti(OSO
4
) [7-10] dẫn đến giá thnh rẻ hơn tuy chất lợng sản phẩm có kém
hơn. Đối với mục đích sử dụng để chế tạo sơn v lớp phủ trong xây dựng thì đa số
vật liệu nano TiO
2
đợc điều chế theo phơng pháp thủy phân TiCl
4
để tạo nên
sản phẩm có giá thnh hạ. Ví dụ bột nano xúc tác quang hóa TiO
2
của Trung quốc

sản xuất theo phơng pháp thủy phân muối vô cơ của Ti
4+
có giá từ 20-30 USD
trong khi đó giá sản phẩm cùng loại của Deggusa (Đức) đắt gấp đôi (khoảng từ
60-70 USD). Hiện nay bột nano TiO
2
P25 (kích thớc trung bình 25 nm) đang l
sản phẩm thông dụng trên thị trờng.

1.2. Những ứng dụng của vật liệu nano xúc tác quang hóa

1.2.1. Những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
Có thể nói rằng trong hơn mời năm nay vật liệu nano xúc tác quang hóa
đợc quan tâm nghiên cứu v ứng dụng rất nhiều bởi những tính chất tuyệt vời
của nó. Cho đến nay ngời ta đã tìm thấy nhiều lĩnh vực ứng dụng các tính chất
xúc tác quang hóa để chế tạo những vật liệu có tính năng đặc biệt. Bảng 3 trình
bầy một số lĩnh vực ứng dụng của xúc tác quang hóa nano TiO
2
.


________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
13
Bảng 3: Những ứng dụng của vật liệu nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong một số
lĩnh vực [11]
Tính chất Lĩnh vực

ứng dụng
Vật liệu xây dựng Sứ vệ sinh, gạch ốp tờng nh bếp, nh tắm, phòng vệ
sinh, đồ nội thất, đá xây dựng, rèm, mnh cửa sổ, cửa ra
vo, các đồ dùng bằng nhựa, nhôm, chụp đèn, sơn
tờng trong v tờng ngoi nh v các công trình xây
dựng.,
Vật liệu cho giao
thông
Sơn phủ cho tờng của đờng hầm giao thông, tờng cách
âm,
Tự lm sạch
(self-cleaning)
Khác Đồ ga, nệm cho bệnh viện, quần áo cho bệnh viện
Trong nh Tác nhân lọc không khí cho điều hòa, quạt gió, tờng
nh
Lọc không
khí (air-
purification)
Ngoi trời Sơn đờng cao tốc, vạch kẻ giao thông, bảng hiệu giao
thông, sơn tờng hầm giao thông
Lọc nớc
(Water
purification)
Lọc nớc Xử lý nớc sông, nớc ngầm, nớc hồ, nớc cho hồ nuôi
cá, xử lý nớc thải công nghiệp
Y học Trị liệu ung th Dụng cụ nội soi
Kháng khuẩn
(antibacteria)
Bệnh viện Gạch sn nh, tờng bệnh viện, tờng phòng phẫu thuật,
nơi vô trùng, quần áo v đồ dùng trong bệnh viện

Khác Nơi công cộng Sơn tờng cho nh vệ sinh công cộng, nh tắm công cộng,
tờng cho trại chăn nuôi gia súc

1.2.2. Những ứng dụng nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng
Hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO
2
đã đợc biết đến gần 60 năm
qua. Tuy nhiên trong thời gian di việc ứng dụng của vật liệu ny trong thnh
phần của sơn đã rất hạn chế bởi tác dụng oxy hóa mạnh của xúc tác quang hóa
nano TiO
2
rất mạnh đã phá hủy mng sơn sớm gọi l sự phấn hóa mng sơn.
Trong thời gian hơn 10 năm trở lại đây các tính chất xúc tác quang hóa của nano
TiO
2
đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nh khoa học trên thế giới. Nhờ đó
m bản chất khoa học cũng nh nhiều ứng dụng quan trọng của nano xúc tác
quang hóa TiO
2
đã đợc sử dụng để chế tạo những vật liệu có những tính năng
đặc biệt. Có thể tóm tắt những ứng dụng của nano TiO
2
trong sơn xây dựng nh
sự trình bầy ở hình 6 sau đây:
Chống rêu mốc
T
ự
lm s
ạ
ch

Chống bám b
ụ
i L
ọ
c không khíDi
ệ
t khuẩn

Hình 6: Những ứng dụng chính của xúc tác quang hóa TiO
2
để chế tạo một số loại
sơn có tính năng đặc biệt [4]

Hiếm có một loại chất no lại có nhiều tác dụng v đồng thời có nhiều chức
năng nh bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa. Thờng các loại sơn có các chức năng
nh chống rêu mốc, diệt khuẩn thì ngời ta phải cho vo thnh phần sơn các tác
nhân chống rêu mốc, kháng khuẩn. Hoặc l đối với loại sơn tự lm sạch, chống
bám bụi thì ngời ta cũng phải sử dụng các tác nhân riêng khác nhau cho mỗi loại
chức năng vừa kể trên. Tuy nhiên đối với bột nano xúc tác quang hóa thì cùng
một loại nano TiO
2
có thể có tất cả các chức năng vừa kể trên. Điều ny cho thấy
khả năng ứng dụng to lớn của nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng

1.2.3. ứng dụng của bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong sơn diệt khuẩn
Để có tính năng diệt khuẩn hoặc kháng khuẩn trong sơn thông thờng

ngời ta có thể đa vo thnh phần của sơn các tác nhân diệt khuẩn mạnh nh Ion
Bạc (Ag
+
), Đồng (Cu
2+
), Kẽm (Zn
2+
) hoặc các tác nhân diệt khuẩn khác có nguồn
gốc hữu cơ [11]. Trong đó ion bạc đợc sử dụng thờng xuyên vì đó l chất ít độc
hơn.
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
14
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
15
Bột nano xúc tác quang hóa TiO
2
đợc ứng dụng lm tác nhân diệt khuẩn
cho sơn xây dựng có rất nhiều u điểm v đợc sử dụng ở nhiều nớc bởi các lý
do sau:
- Bột nano TiO
2
tham gia trong thnh phần của sơn không gây độc hại
- Bột nano TiO
2
l chất diệt khuẩn rất mạnh.
- Ngoi tác dụng diệt khuẩn khi tham gia vo thnh phần của sơn nano TiO

2
còn
có tác dụng diệt nấm, rêu mốc, thậm chí cả virut v có tác dụng lọc phân hủy các
chất độc tố trong không khí trong nh (nh khói thuốc lá, hơi dung môi, hóa
chất ) rất có hiệu quả.
Tác dụng diệt khuẩn của bột nano TiO
2
đã đợc nghiên cứu thử nghiệm
trong rất nhiều công trình nghiên cứu [2, 5, 11,]. Nh đã trình bầy ở mục 1.1.3 về
cơ chế tác dụng của xúc tác quang hóa, khi có ánh sáng thì nano xúc tác quang
hóa sản sinh ra các tác nhân oxy hóa rất mạnh. Những tác nhân ny có tác dụng
diệt vi khuẩn, vi rút v các mầm gây bệnh hoặc nấm mốc. Trong những nghiên
cứu trớc đây ngời ta đã khẳng định rằng khi thử nghiệm nuôi cấy vi khuẩn E.
Coli trong môi trờng có tiếp xúc với bề mặt có phủ sơn nano xúc tác quang hóa
thì chỉ sau 1 giờ ton bộ vi khuẩn bị tiêu diệt hết. Tại Miền Tây của Nhật Bản
năm 1996 đã xảy ra hiện tợng ngộ độc thực phẩm do trong thức ăn có chứa vi
khuẩn E.Coli, hậu quả l gần 1800 ngời phải nhập viện trong đó 12 ngời đã bị
tử vong. Ngời ta đã tìm ra nguyên nhân l do thực phẩm bị nhiễm khuẩn E.Coli
v loại vi khuẩn ny đã sản sinh ra một độc tố l O-157 endotoxin đã lm nhiều
ngời bị ngộ độc v có thể gây tử vong. Nhóm nghiên cứu của giáo s Akira
Fujishima ở Đại học Tổng hợp Tokyo đã tiến hnh khử độc tố bằng bột nano xúc
tác quang hóa TiO
2
v kết quả l chỉ sau 2 giờ hầu hết vi khuẩn v các chất độc đã
bị phân hủy v sau 4 giờ thì chúng bị phân hủy hon ton. Để thấy rõ hiệu quả
của phơng pháp ny, ngời ta có thể so sánh với một phơng pháp khác cũng
tiến hnh cùng thời gian ny v thấy rằng để tiêu diệt vi khuẩn v phân hủy độc tố
trên ngời ta cần phải xử lý nhiệt ở 250
o
C trong 30 phút hoặc phải xử lý bằng cồn

ethanol có chứa xút (NaOH) [4].

1.2.4. ứng dụng của bột nano TiO
2
xúc tác quang hóa trong sơn tự lm sạch
Trên thực tế, để lm sạch bề mặt của các vật liệu xây dựng nh gạch, kính
ngời ta gặp rất nhiều khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lợng, chất tẩy rửa, v tất
nhiên l giá thnh tơng đối cao. Để chế tạo vật liệu có bề mặt tự lm sạch ngời
ta sử dụng hai phơng pháp chính: Tạo ra vật liệu có bề mặt siêu a nớc (super
hydrophilic) hoặc siêu kị nớc (super hydrophobic).
Sự thấm ớt của chất rắn với nớc trong môi trờng không khí phụ
thuộc vo mối liên hệ giữa sức căng bề mặt (nớc/không khí, nớc/chất rắn, v
chất rắn/không khí). Tỉ số giữa các sức căng ny đợc xác định bằng góc tiếp xúc
giữa giọt nớc v bề mặt cho trớc. Góc tiếp xúc bằng 0
0
nghĩa l thấm ớt
hon ton, góc tiếp xúc bằng 180
0
nghĩa l hon ton không thấm ớt. Đối với bề
mặt kị nớc góc thấm ớt khoảng 100
0
. Nếu góc thấm ớt lớn hơn 100
0
ta có bề
mặt siêu kị nớc (xem hình 7).

Hình 7: Góc tiếp xúc CA v các bền mặt siêu a nớc v siêu kị nớc

Bằng cách chuyển cấu trúc siêu nhỏ của các vật liệu đặc biệt lên trên bề
mặt các vật liệu thông thờng ta có thể thu đợc vật liệu có bề mặt siêu kị nớc.

Một số công trình nghiên cứu đã chứng minh đợc mối tơng quan giữa cấu trúc
nano, khả năng thấm ớt v việc loại bỏ chất bẩn với hiện tợng tự lm sạch ở lá
cây sen v hiệu ứng tự lm sạch ny ny đợc gọi l hiệu ứng lá sen (Lotus
Effect) [12, 13].
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
16


Hình 8: Hiện ứng lá sen có góc tiếp xúc >130
o

Bề mặt của lá sen có cấu tạo một lớp lông cực nhỏ (kích thớc vi nano
mét) v chính những sợi lông đã lm cho góc tiếp xúc lớn hơn 130
0
, điều đó có
nghĩa l lực liên kết giữa hạt nớc v bề mặt đợc lm giảm. Giọt nớc khi tiếp
xúc với các bề mặt nh vậy sẽ lập tức chuyển sang dạng hạt tròn. Các phần tử
chất bẩn sẽ bị các hạt nớc cuốn khỏi bề mặt xù xì (hình 8.).



Bề mặt thờng

Bề mặt tự lm sạch


Hình 9: Tác dụng tự lm sạch của sơn nano

Quá trình lm sạch dựa trên góc tiếp xúc nhỏ (siêu a nớc) đợc biết đến
từ khi phát hiện ra x phòng. Một cách tổng quát, chất tẩy rửa lm giảm sức căng
bề mặt của nớc do đó góc tiếp xúc sẽ giảm. Tuy nhiên có một phơng pháp khác
có thể lm giảm sức căng bề mặt của nớc m không cần sử dụng chất tẩy rửa đó
chính l sử dụng các lớp mng mỏng hoạt động trên bề mặt sản phẩm. Các lớp
mng mỏng loại ny thờng đợc lm từ các oxit kim loại hoặc l sunphit có khả
năng xúc tác quang hóa.
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
17
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
18
Trong những năm gần đây ngời ta hay sử dụng TiO
2
dạng nano để lm các
lớp mng nh vậy [5]. Khi TiO
2
nano đợc chiếu sáng bằng ánh nắng mặt trời nó
sẽ tạo ra góc tiếp xúc rất bé (< 1
0
) khi đó các giọt nớc sẽ trải đều trên bề mặt
(góc tiếp xúc gần bằng 0
0
) thay vì tạo thnh giọt nh đã trình by ở phần trên. Khi
ngừng chiếu sáng tính siêu hấp thụ nớc của lớp mng TiO
2

ny đợc giữ lại
trong khoảng 2 ngy. Hơn thế nữa khi đợc chiếu sáng mng TiO
2
sinh ra các tác
nhân có tính oxi hóa rất mạnh có thể diệt khuẩn, phân hủy các hợp chất hữu cơ v
vô cơ.
Để nghiên cứu tính năng tự lm sạch của các bề mặt sơn nano xúc tác quang
hóa, ngời ta có thể sử dụng một số phơng pháp nh sau
a) Phơng pháp đo góc tiếp xúc của giọt nớc v bề mặt sơn
Nh đã trình bầy ở trên có hai loại bề mặt có thể có tính năng tự lm sạch l
- Bề mặt siêu a nớc (super hydrophilic) có góc tiếp xúc rất nhỏ < 1
o
. Đối với
loại bề mặt ny khi có nớc thì sự thấm ớt giữa nớc v bề mặt sơn sẽ tốt nhất
giúp cho việc rửa trôi xảy ra dễ dng hơn. Trên thực tế việc sử dụng x phòng
hoặc các chất tẩy rửa l các chất hoạt động bề mặt cũng lm tăng sự thấm ớt của
nớc v các chất bẩn bám trên bề mặt.
- Bề mặt siêu kị nớc (super hydrophobic) với bề mặt ny góc tiếp xúc phải lớn
hơn > 100
o
. Đối với bề mặt ny việc tự lm sạch sẽ diễn ra theo hiệu ứng lá sen
nh đã trình bầy ở trên. Trong thực tế thì khi trong thnh phần của sơn có chứa
các tác nhân kỵ nớc nh các hợp chất của silicone sẽ lm cho bề mặt sơn trở
thnh siêu kị nớc.
b) Phơng pháp đánh giá qua sự oxy hóa phân hủy các chất bẩn trên bề
mặt của xúc tác quang hóa

Một trong những tính chất rất quan trọng của sơn nano xúc tác quang hóa l
khả năng oxy hóa phân hủy các tạp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hạt nano TiO
2

.
Việc ny đồng nghĩa với khả năng tự lm sạch của bề mặt sơn. Nghĩa l khi tính
chất xúc tác quang hóa phát huy tác dụng chúng sẽ phân hủy các chất bẩn bám
trên bề mặt của sơn thnh khí CO
2
v nớc H
2
O v nh vậy khi có ma hoặc nớc
rửa bề mặt của sơn sẽ dễ rửa các chất bẩn hơn. Trong một số nghiên cứu trớc đây
ngời ta đã xác định mức độ tự lm sạch bằng của sơn nano xúc tác quang hóa
bằng phản ứng phân hủy lm mất mu một số chất chỉ thị mu nh Rhodamaine,
Xanh methylen hoặc Resazurin trong dung dịch nớc [7, 14, 15]. Các dung dịch
có nồng độ từ 4-6 x 10
-4
mol/lit của các chất trên đợc phun lên bề mặt của sơn
sau đó các tiêu bản của sơn đợc đa ra ánh sáng mặt trời hoặc chiếu tia UV. Khả
năng tự lm sạch đợc đánh giá theo thời gian m dung dịch chất chỉ thị mu bị
biến mất.
1.2.5. ứng dụng vật liệu nano TiO
2
xúc tác quang hóa để lọc không khí v
phân hủy các độc tố
Việc ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang hóa để lọc không khí v phân
hủy độc tố trong không khí đã đợc nghiên cứu thử nghiệm trên sơn tờng của
các căn phòng v tờng ngoi của các căn nh hoặc các công trình xây dựng
khác.
Cơ chế của tác dụng lọc không khí của Nano xúc tác quang hóa nh đã
trình bầy tại mục 1.2.1. về cơ chế chung của xúc tác quang hóa. Khi có ánh sáng
xúc tác quang hóa sinh ra các gốc oxy hóa tự do rất mạnh có thể oxy hóa các chất
hữu cơ độc hại về nớc (H

2
O) v khí cacbonic (CO
2
) không độc hại hoặc các chất
vô cơ khác ít độc hơn. Việc oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng hóa học nh
sau [6]:

Các chất hữu cơ hầu hết có công thức hóa học C
x
H
y
X
z

- Nếu X l nguyên tử oxy (O) khi tiếp xúc với xúc tác quang hóa sẽ bị oxy
hóa về các chất không độc hại l H
2
O, CO
2

- Nếu X l nitơ (N) thì chất hữu cơ sẽ bị chuyển hóa thnh H
2
O, CO
2
v
ion X
-
sẽ l NO
3
-

- Nếu X l lu huỳnh (S) thì chất hữu cơ sẽ bị chuyển hóa thnh H
2
O, CO
2

v ion SO
4
2-
.
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBM-
CBMA, 2008.
19