Nghiên cứu quá trình biến tínhvà hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO2


: Khóa luận tốt nghiệp
Sưu tầm: Thạc sĩ Ngô Thị Thuỳ Dương

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, vật liệu có cấu trúc nano được các nhà khoa
học rất quan tâm và có nhiều ứng dụng thực tiễn. Một trong số các vật liệu này,
vật liệu nano TiO
2
rất được chú ý do khả năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh
vực như: năng lượng (chế tạo pin mặt trời, thiết bị điện tử đổi màu, …) và xử lí
nước thải, làm sạch môi trường (quang xúc tác, sensor khí, …). Ngoài những ứng
dụng trong các lĩnh vực nói trên, TiO
2
còn được biết đến với những đặc tính nổi
bật là vật liệu bền, nhiệt độ nóng chảy cao, khó bị ăn mòn, không độc và rẻ tiền.
Những nghiên cứu khoa học về vật liệu nano TiO
2
với vai trò là một chất
xúc tác quang đã được bắt đầu cách đây hơn ba thập kỉ. Gần đây, TiO
2
được sử
dụng như một xúc tác quang để xử lí những vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt
là loại bỏ những chất độc hại trong nước thải. Tuy nhiên, chỉ có những bức xạ tử
ngoại chiếm khoảng 5% bức xạ mặt trời, 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 để tăng khả năng quang hóa của TiO
2
trong vùng ánh sáng khả kiến
được phát triển mạnh mẽ để sử dụng có hiệu quả hơn đặc tính quang hóa của vật

liệu này.
Việt Nam là một nước có trữ lượng titan sa khoáng khá lớn, lại nằm trong
vùng nhiệt đới với thời lượng chiếu sáng hàng năm của mặt trời khá cao nên tiềm
năng ứng dụng vật liệu xúc tác quang ở nước ta là rất lớn. Tuy nhiên, do sự quan
tâm và đầu tư của nhà nước Việt Nam vào lĩnh vực này còn chưa đủ lớn nên việc
nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của vật liệu này vẫn còn một số hạn chế.
Với tất cả những lí do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình biến tính
và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO
2
”, với mục đích:
 Điều chế vật liệu nano TiO
2
bằng phương pháp thủy nhiệt.
 Biến tính vật liệu TiO
2
bằng cách pha tạp nitơ và pha tạp sắt.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 1


: Khóa luận tốt nghiệp
 Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổng hợp được

dựa trên phản
ứng phân hủy metylen xanh.
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về vật liệu TiO
2
TiO
2

là chất bán dẫn, cấu trúc tinh thể gồm ba dạng: rutile, anatase và
brookite. Trong đó hai dạng thù hình thường gặp nhất là rutile và anatase.
Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO
2
, pha rutile có mức năng lượng
miền cấm là 3,05 eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại,
khối lượng riêng 4,2 g/cm
3
. Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình
bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh (Hình 1.1).
a) b)
Hình 1.1. Tinh thể anatase: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể.
Anatase: là pha có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong 3 pha. Anatase có
năng lượng miền cấm là 3,25 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm
3
. Anatase cũng có
kiểu mạng Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc
cạnh với nhau và trục c của tinh thể bị kéo dài (Hình 1.2).

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 2
O
Ti


: Khóa luận tốt nghiệp
(a) (b)
Hình 1.2. Tinh thể Rutile: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể.
TiO
2
dạng anatase có thể chuyển hóa thành TiO

2
dạng rutile ở các điều kiện
nhiệt độ thích hợp. Theo các nghiên cứu của Levin và McMurdie [1], có thể
chuyển dạng TiO
2
dạng anatase sang dạng rutile trong khoảng nhiệt độ từ 400 -
1000
0
C tùy theo điều kiện và thiết bị phản ứng.
Brookite: có hoạt tính quang hóa rất yếu. Brookite có mức năng lượng miền
cấm là 3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm
3
(Hình 1.3).
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể pha brookite
Trong thực tế, pha tinh thể brookite của TiO
2
rất ít gặp nên thường ít được
đề cập trong nghiên cứu và ứng dụng.
Bảng 1 trình bày một số tính chất vật lí của TiO
2
dạng anatase và rutile.
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lí của TiO
2
dạng anatase và rutile
STT Tính chất vật lí Dạng anatase Dạng rutile
1 Cấu trúc tinh thể Tứ phương Tứ phương
2 Nhiệt độ nóng chảy (
o
C) 1800 1850
3 Khối lượng riêng (g/cm

3
) 3,84 4,20
4 Độ cứng Mohs 5,5-6,0 6,0-7,0
5 Chỉ số khúc xạ 2,54 2,75
6 Hằng số điện môi 31 114
7 Nhiệt dung riêng (cal/mol.
o
C) 12,96 13,2
8 Mức năng lượng vùng cấm (eV) 3,25 3,05

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 3


: Khóa luận tốt nghiệp
TiO
2
ở dạng có kích thước micromet rất bền về hóa học, không tan trong
các axit. Tuy nhiên, khi đưa TiO
2
về dạng nanomet, TiO
2
có thể tham gia một số
phản ứng axit và kiềm mạnh.
Các dạng oxit, hidroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính lưỡng tính.
TiO
2
có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất xúc tác quang như
sau:
• Hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng ngoại
và khả kiến truyền qua.

• Là vật liệu có độ xốp cao vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt.
• Ái lực bề mặt TiO
2
đối với các phân tử rất cao do đó dễ dàng phủ lớp TiO
2
lên các loại đế có độ bám dính rất tốt.
• Giá thành thấp, dễ sản xuất với số lượng lớn, trơ hóa học, không độc, thân
thiện với môi trường và có khả năng tương hợp sinh học cao.
Gần đây, các nhà khoa học phát hiện thêm một tính chất tuyệt vời của TiO
2
là bề mặt TiO
2
trở nên thấm ướt khi để chiếu sáng UV. Như vậy khi có ánh sáng
tác động TiO
2
thể hiện đồng thời hai tính chất nhưng chúng có bản chất khác
nhau: tính siêu thấm ướt và khả năng xúc tác quang. Hai tính chất này được áp
dụng trong ngành sản xuất kính tạo ra sản phẩm vừa có khả năng tự làm sạch vừa
có khả năng chống mờ, chống tạo sương.
1.2. Các phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu TiO
2
1.2.1. Các phương pháp tổng hợp
1.2.1.1. Phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel là quá trình chuyển hóa sol thành gel, thường được sử
dụng trong tổng hợp gốm. Phương pháp này thường trải qua các giai đoạn sol và
gel do sự ngưng tụ các hạt keo thu được. Bằng phương pháp này có thể thu được
vật liệu có trạng thái mong muốn như khối lượng, màng phôi, sợi và bột có độ
lớn đồng nhất, … Phản ứng điển hình của phương pháp sol-gel là phản ứng thủy
phân và trùng ngưng.


: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 4


: Khóa luận tốt nghiệp
+ Phản ứng thủy phân xảy ra khi thêm nước vào, là quá trình thế các gốc
alkoxide (RO) kết hợp với Ti (IV) bằng gốc hydroxyl (
•
OH), một phân tử
alkoxide có thể phản ứng với nhiều phân tử nước.
M(OR)
n
+ x H
2
O
→
M(OR)
n-x
(OH)
x
+ x ROH
(hidroxylalkoxide kim loại)
+ Phản ứng trùng ngưng là quá trình các liên kết Ti-O-H biến thành Ti-O-Ti và
tạo thành các sản phẩm phụ là nước và rượu. Phản ứng trùng ngưng diễn ra theo
2 kiểu:
♦ Ngưng tụ H
2
O
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OH)(OR)

n-1

→
(OR)
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ H
2
O
♦ Ngưng tụ rượu
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OR)
n

→
(OR)
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ ROH
Phản ứng ngưng tụ xảy ra rất nhanh và gần như đồng thời với phản ứng thủy
phân cho đến khi trong dung dịch không còn nhóm OR hay OH. Nếu số liên kết
Ti-O-Ti tăng lên thì các phân tử riêng rẽ tạo nên các chân kết dính bên trong sol
hay đông kết với nhau thành gel có cấu trúc mạng.
Muốn chế tạo màng, người ta dùng phương pháp phủ quay (spin-coating)
hoặc phủ nhúng (dip-coating).
1.2.1.2. Phương pháp sol
Phương pháp sol chính là phương pháp sol-gel không có phản ứng thủy

phân. Phương pháp này sử dụng phản ứng giữa TiX
4
(X: halogen) với các phân
tử cho oxi khác nhau như alkoxide kim loại hay ete hữu cơ.
TiX
4
+ Ti(OR)
4
→ 2TiO
2
+ 4RX
TiX
4
+ 2ROR → TiO
2
+ 4RX
Quá trình trùng ngưng giữa Ti-X và Ti-OR sẽ hình thành liên kết Ti-O-Ti.
Các nhóm alcoxide có thể do alcoxide của Ti cung cấp hay được hình thành ngay
trong hỗn hợp phản ứng khi TiX
4
tương tác với ancol hoặc ete. Bằng phương
pháp này, Trentler và Colvin [2] đã tổng hợp được các hạt TiO
2
kích thước 9,2
nm khi cho dung dịch TiF
4
nóng vào hỗn hợp triotylphotphin oxit và heptadecan
ở 300
0
C trong 5 phút. Khi sử dụng các nhóm thế ankyl khác nhau như metyl,


: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 5


: Khóa luận tốt nghiệp
etyl, isopropyl, tert-butyl, các tác giả này nhận thấy nếu nhóm thế càng phân
nhánh thì tốc độ phản ứng càng tăng nhưng kích thước hạt nano TiO
2
thu được
không thay đổi. Nhưng khi thay TiF
4
bằng TiI
4
thì các hạt TiO
2
thu được là 3,2
nm. Khi cho TiO
4
vào benzylic khan, khuấy trong vòng 1 - 21 ngày ở nhiệt độ 40
– 150
0
C, sau đó nung sản phẩm ở 450
0
C, Niederberger và Stucky [3] đã thu được
các hạt TiO
2
anatase kích thước từ 4 đến 8 nm. Ngoài ra, các thanh nano TiO
2
cũng có thể tổng hợp bằng phương pháp này. Cozzoli và cộng sự [3] đã thành
công trong việc tổng hợp các thanh nano TiO

2
bằng cách kiểm soát quá trình
phản ứng giữa titannium tetraisopropoxide (TTIP) với axit oleic.
1.2.1.3. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt sử dụng các dung dịch trong các điều kiện nhiệt độ
hoặc áp suất cao, có tác dụng làm tăng độ hòa tan và tốc độ phản ứng giữa các
pha rắn. Để thực hiện điều này, dung dịch trong đó hòa tan vật liệu được đặt
trong một nồi hấp kín và đốt nóng. Dựa vào nhiệt độ và lượng dung dịch đưa vào
nồi hấp ta có thể biết được áp suất tạo ra bên trong nồi hấp. Trong công nghiệp
gốm, đây là phương pháp hữu hiệu để tổng hợp vật liệu có kích thước nhỏ [4].
So với các phương pháp khác thì phương pháp thủy nhiệt tổng hợp TiO
2
có
cấu trúc nano có nhiều ưu điểm [5]:
• Nhiệt độ kết tinh của pha anatase dưới 200
0
C.
• Bằng cách điều chỉnh các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất, nồng
độ chất phản ứng, pH của dung dịch ta có thể thu được các hạt TiO
2
nano có kích
thước, hình thái và thành phần pha như mong muốn.
• Năng lượng tiêu thụ ít và ít ảnh hưởng đến môi trường.
Bằng phương pháp này, ta có thể thu được các tinh thể nano, thanh nano,
dây nano, ống nano TiO
2
. Nhiều nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các tinh thể nano
TiO
2
có kích thước khoảng 7 - 25 nm bằng cách thủy nhiệt titanium alkoxide

trong dung dịch axít HNO
3
– ethanol – nước ở 240
0
C trong 4 h. Kích thước hạt
có thể kiểm soát bằng cách điều chỉnh nồng độ của tiền chất và thành phần hệ
dung môi. Zhang và cộng sự [6] lại thu được các thanh nano TiO
2
khi thủy nhiệt
dung dịch loãng TiCl
4
trong môi trường axit hoặc muối vô cơ ở 60 – 150
0
C trong

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 6


: Khóa luận tốt nghiệp
12 h. Các tác giả này đã công bố tổng hợp thành công dây nano TiO
2
anatase khi
thủy nhiệt bột TiO
2
trong môi trường NaOH 10 - 15M ở 150 - 200
0
C trong 24 –
72 h. Kasuga và cộng sự [6] lại thu được ống nano TiO
2
anatase khi thủy nhiệt

bột TiO
2
trong dung dịch NaOH 2,5 – 10M ở nhiệt độ 20 - 110
0
C trong 20 h. Wei
và cộng sự [6] khi tiến hành thủy nhiệt Na
2
Ti
3
O
7
có cấu trúc lớp trong môi
trường HCl 0,05 – 0,1 M ở 140 - 170
0
C từ 3 – 7 ngày thu được các dây nano
TiO
2
anatase.
1.2.1.4. Phương pháp nhiệt dung môi
Phương pháp nhiệt dung môi tương tự như phương pháp thủy nhiệt, chỉ
khác ở điểm dung môi không phải là nước. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi
nhiệt độ cao hơn vì dung môi hữu cơ sử dụng thường có nhiệt độ sôi cao hơn
nhiệt độ sôi của nước. Thông thường phương pháp này kiểm soát kích thước,
hình dạng và độ tinh thể của TiO
2
tốt hơn phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp
nhiệt dung môi tổng hợp tinh thể nano hay thanh nano TiO
2
có thể sử dụng chất
hoạt động bề mặt hoặc không. Khi trộn lẫn TTIP và toluen với tỉ lệ khối lượng

1-3:10 trong nồi hấp và giữ ở nhiệt độ 250
0
C trong vòng 3 h, Kim và cộng sự [6]
đã thu được các tinh thể nano TiO
2
. Kích thước tinh thể tăng khi tăng tỉ lệ khối
lượng TTIP : toluen trong khoảng khảo sát. Các tác giả này cũng đã tổng hợp các
thanh nano TiO
2
bằng cách hòa tan TTIP trong hỗn hợp toluen khan với axit
oleic trong nồi hấp, giữ ở 250
0
C trong 20 h. Chiều dài và đường kính của các
thanh nano phụ thuộc vào tỉ lệ khối lượng tiền chất/ chất hoạt động bề mặt/ dung
môi.
Trong phương pháp này, dung môi đóng vai trò quan trọng quyết định đến
hình thái tinh thể TiO
2
. Các dung môi có tính chất vật lí và hóa học khác nhau có
thể ảnh hưởng đến độ tan, khả năng phản ứng, khuếch tán của các chất phản ứng,
đặc biệt độ phân cực và khả năng tạo liên kết phối trí của dung môi ảnh hưởng
đến hình thái và sự kết tinh của sản phẩm cuối cùng. Khi nhiệt dung môi bột
TiO
2
trong môi trường NaOH 5M ở 170 - 200
0
C trong 24 h, Wen và cộng sự [6]
thu được các dây nano TiO
2
nếu sử dụng dung môi là hỗn hợp rượu – nước,


: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 7


: Khóa luận tốt nghiệp
nhưng khi thay dung môi này bằng cloroform thì sản phẩm thu được là các thanh
nano TiO
2
.
Ngoài ra còn có các phương pháp điều chế khác như: phương pháp siêu âm,
phương pháp vi sóng, phương pháp vi nhũ tương, …
1.2.2. Quá trình biến tính
Như đã biết, TiO
2
có nhiều đặc tính ứng dụng làm chất xúc tác quang. Tuy
nhiên, tinh thể TiO
2
có độ rộng vùng cấm lớn (3,2 – 3,8 eV) nên độ nhạy quang
xúc tác chỉ nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại. Để chuyển phản ứng quang xúc
tác vào vùng ánh sáng khả kiến, người ta đã dùng một số phương pháp như: pha
tạp kim loại chuyển tiếp, pha tạp một số phi kim, gắn kết chất nhạy quang bán
dẫn hoặc chất hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, … Đặc tính của
TiO
2
sẽ thay đổi khi kết hợp với các thành phần khác nhau.
1.2.2.1. TiO
2
kết hợp với một số nguyên tố phi kim (N, S, C, F, …)
Khi khảo sát sản phẩm có sự kết hợp giữa TiO
2

với các nguyên tố N, S, C,
F, … người ta nhận thấy năng lượng vùng cấm E
g
giảm xuống. Do đó, yêu cầu về
mức năng lượng để chuyển electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn cũng giảm
xuống và có thể sử dụng vùng ánh sáng khả kiến để kích thích phản ứng quang
hóa.
Những nghiên cứu của Nguyễn Việt Cường cho thấy khi pha tạp N vào hợp
chất TiO
2
– SiO
2
không làm ảnh hưởng đến sự chuyển pha tinh thể của vật liệu
TiO
2
nhưng làm thay đổi các đặc tính cấu trúc của vật liệu (như kích thước hạt,
diện tích bề mặt riêng của vật liệu, độ tinh thể hóa của vật liệu, …). Từ đó ảnh
hưởng tới hoạt tính quang xúc tác của vật liệu [7].
Khi pha tạp N vào vật liệu TiO
2
, một phần N đã đi vào liên kêt với Ti thay
thế O trong cấu trúc mạng tinh thể. Liên kết TiON được tạo thành thay vì liên kết
TiN, điều này được giải thích là do sự lai hóa quĩ đạo của N và O. Việc pha tạp N
đã làm cho năng lượng vùng cấm thu hẹp lại. Đối với TiO
2
anatase tinh khiết,
mức năng lượng vùng cấm là 3,2 eV ứng với bước sóng kích thích là 388 nm.
Khi pha tạp N, năng lượng vùng cấm giảm chỉ còn 2,4 eV ứng với bước sóng
kích thích là 520 nm [8]. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng, khi nitơ (N)


: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 8


: Khóa luận tốt nghiệp
thay thế khoảng 2,25% các ion âm trong tinh thể TiO
2
thì bước sóng kích thích
nó sẽ dịch về khoảng 400 - 500 nm. Việc năng lượng vùng cấm của TiO
2
có pha
tạp N giảm đáng kể làm cho quá trình quang xúc tác có thể xảy ra trong vùng ánh
sáng có bước sóng dài hơn (ánh sáng khả kiến) mà không cần chiếu tia UV. Điều
này mở ra khả năng ứng dụng rất lớn của chất xúc tác này trong thực tiễn sử
dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. Khi pha tạp lưu huỳnh cũng làm cho vùng cấm
thu hẹp lại nhưng sẽ khó đưa vào tinh thể hơn vì bán kính của S lớn [9].
Pha tạp N vào TiO
2
có thể thực hiện bằng phương pháp phún xạ trong môi
trường khí phản ứng N
2
, đốt nóng bột TiO
2
dưới dòng NH
3
ở nhiệt độ cao trong
vài giờ, dùng hạt nhân nặng chứa N trong phương pháp sol – gel. Tuy nhiên,
phương pháp đơn giản nhất để pha tạp N vào TiO
2
là nung bột TiO
2

với urê trong
không khí.
1.2.2.2. TiO
2
kết hợp với SiO
2

Có nhiều công trình nghiên cứu và đã chế tạo thành công vật liệu TiO
2
-
SiO
2
ở dạng nano. Sản phẩm tạo ra mang những nét ưu việt hơn TiO
2
ở trạng thái
đơn lẻ, đó chính là sự gia tăng bề mặt riêng khoảng 10 lần (600 m
2
/g). Nhờ đó,
khả năng chuyển hóa H
2
O tạo thành khí H
2
của sản phẩm TiO
2
-SiO
2
là rất cao.
Tuy nhiên, xét về độ tinh thể hóa của vật liệu TiO
2
-SiO

2
kém hơn so với TiO
2
đơn lẻ nên hiệu quả oxi hóa – khử sẽ hạn chế hơn TiO
2
. Ngoài ra, khi bổ sung
SiO
2
vào hợp chất TiO
2
-SiO
2
còn có những thuận lợi rất lớn trong việc ổn định
cấu trúc tinh thể TiO
2
ở pha anatase, ngăn cản sự chuyển sang pha rutile.
1.2.2.3. TiO
2
kết hợp với một số kim loại (Ag, Pt, Fe, …)
Một số kim loại (Ag, Pt, Li, Zn, Cd, Mn, Ce, Fe, Al, …) được kết hợp với
TiO
2
để tạo ra những điểm giữ electron quang sinh, nhờ đó hạn chế được quá
trính tái kết hợp đồng nghĩa với sự nâng cao hoạt tính quang xúc tác của TiO
2
.
Bên cạnh đó, có một số nghiên cứu kết hợp RuO
2
, RuS với TiO
2

tạo ra các “hố
chôn” lỗ trống quang sinh và cũng đem lại hiệu quả tương tự như khi kết hợp với
các kim loại.
1.3. Cơ chế phản ứng quang xúc tác trên vật liệu TiO
2

1.3.1. Giới thiệu về quá trình xúc tác quang bán dẫn

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 9


: Khóa luận tốt nghiệp
Xúc tác quang là một trong những quá trình oxi hóa bậc cao nhờ tác nhân
ánh sáng, trong khoảng hơn hai mươi năm trở lại đây ngày càng được ứng dụng
rộng rãi và đăc biệt quan trọng trong xử lí môi trường.
Theo lí thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại gồm có một vùng gồm
những obital phân tử liên kết được xếp đủ electron, được gọi là vùng hóa trị
(Valance band – VB) và một vùng gồm những obital phân tử liên kết còn trống
electron, được gọi là vùng dẫn (Condutance Band – CB). Hai vùng này được chia
cách nhau bởi một hố năng lượng được gọi là vùng cấm, đặc trưng bởi năng
lượng vùng cấm E
g
(Bandgap Energy), chính là độ chênh lệch giữa hai vùng nói
trên. Sự khác nhau giữa vật liệu dẫn điện, cách điện và bán dẫn chính là sự khác
nhau về vị trí và năng lượng vùng cấm. Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất
trung gian giữa vật liệu dẫn điện và cách điện, khi có một kích thích đủ lớn (lớn
hơn năng lượng vùng cấm E
g
) các electron trong vùng hóa trị của vật liệu bán
dẫn có thể vượt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn, trở thành chất dẫn điện có điều

kiện. Nói chung, những chất có E
g
lớn hơn 3,5 eV là chất cách điện ngược lại
những chất có E
g
thấp hơn 3,5 eV là chất bán dẫn [10].
Những chất bán dẫn có E
g
thấp hơn 3,5 eV đều có thể làm chất xúc tác
quang (photocatalysts) vì khi được kích thích bởi các photon ánh sáng có năng
lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm E
g
, các electron hóa trị của chất bán dẫn sẽ
nhảy lên vùng dẫn. Kết quả là trên vùng dẫn sẽ có các electron mang điện tích
âm, được gọi là electron quang sinh (photogenerated elecctron e
-
CB
) và trên vùng
hóa trị sẽ có các lỗ trống mang điện tích dương, được gọi là lỗ trống quang sinh
(photogenerated hole h
+
VB
). Chính các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh
là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học xảy ra bao gồm quá trình oxi hóa
đối với h
+
VB
và quá trình khử đối với e
-
CB

. Các lỗ trống quang sinh và electron
quang sinh có khả năng phản ứng cao hơn so với các tác nhân oxi hóa – khử đã
biết trong hóa học.
Phản ứng xúc tác quang bán dẫn có thể mô tả tổng quát như sau:

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 10


: Khóa luận tốt nghiệp
Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt
của hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp với các chất hấp phụ trên bề
mặt (Hình 1.4).
Hình 1.4. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn
Vật liệu bán dẫn TiO
2
thích hợp làm xúc tác quang vì TiO
2
có năng lượng
vùng cấm E
g
nằm dưới mức 3,5 eV, có hoạt tính xúc tác cao, trơ về mặt hóa học
và sinh học, bền vững không bị ăn mòn dưới tác dụng của ánh sáng và của các
hóa chất khác [10]. TiO
2
ở dạng anatase có hoạt tính xúc tác cao hơn dạng rutile,
điều này được giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lượng. Hình 1.5 trình bày
giản đồ năng lượng của dạng anatase và rutile.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 11


: Khóa luận tốt nghiệp
Hình 1.5. Giản đồ vùng năng lượng của anatase và rutile
1.3.2. Gốc
•
OH và cơ chế tạo gốc
•
OH trong quá trình quang xúc tác trên
TiO
2
Hiện nay, trong công nghệ xử lí môi trường, người ta ứng dụng ngày càng
nhiều các quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOP).
Bản chất của quá trình này là tạo ra các gốc tự do hoạt động hydroxyl
•
OH để oxi
hóa các chất hữu cơ trong nước. Gốc tự do
•
OH là tác nhân oxi hóa mạnh, không
chọn lọc và có khả năng oxi hóa hầu hết các hợp chất hữu cơ về dạng vô cơ. Thế
oxi hóa của gốc tự do
•
OH được so sánh với thế oxi hóa của các chất oxi hóa
truyền thống thường được sử dụng trong lĩnh vực môi trường trình bày ở Bảng
1.2.
Bảng 1.2. Thế oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa
Chất oxi hóa Thế oxi hóa (V)
Cl
2
1,36
HOCl 1,49

HO
2
•
1,70
H
2
O
2
1,78
O
3
2,07
•
OH 2,80
Trong nhiều năm qua, có nhiều công trình nghiên cứu tạo ra gốc
•
OH trên
cơ sở các tác nhân oxi hóa thông thường như hidrogen peoxide thông qua các
phản ứng hóa học (H
2
O
2
/Fe
2+
, O
3
/ H
2
O
2

, …) hay nhờ năng lượng bức xạ tia UV

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 12


: Khóa luận tốt nghiệp
(O
3
/UV, H
2
O
2
/UV, TiO
2
/UV, …) và các nguồn năng lượng cao (siêu âm, tia X,
chùm electron, …). Dưới đây là cơ chế tạo gốc
•
OH trong quá trình quang xúc tác
trên TiO
2
.
TiO
2
ở pha anatase có độ rộng năng lượng vùng cấm E
g
= 3,2 eV, khi hấp
thu các bức xạ trong vùng tử ngoại gần (λ≤ 388 nm), các electron trong vùng hóa
trị (e
-
CB

) sẽ được kích thích, tách ra khỏi liên kết và chuyển lên vùng dẫn, để lại lỗ
trống trong vùng hóa trị (h
+
VB
). Các lỗ trống quang sinh và electron quang sinh
này được chuyển đến bề mặt và tương tác với các hóa chất hấp phụ trên bề mặt.
+ Các lỗ trống quang sinh có tính oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nước và
ion OH
-
theo phương trình phản ứng sau:
h
+
VB
+ H
2
O →
•
OH + H
+
h
+
VB
+ OH
-
→
•
OH
+ Các electron quang sinh chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử oxi hấp phụ
trên bề mặt chất xúc tác tạo ra ion gốc
•

O
2
-
tiếp sau đó sẽ xảy ra phản ứng với
H
2
O tạo ra gốc
•
OH theo các phương trình phản ứng sau:
e
-
CB
+ O
2
→
•
O
2
-
2
•
O
2
-
+ 2H
2
O → H
2
O
2

+ 2OH
-
+ O
2
H
2
O
2
+

e
-
→
•
OH + OH
-
Ion OH
-
lại có thể tác dụng với lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị để tạo
ra gốc tự do
•
OH. Ngoài ra, các e
-
CB
và h
+
VB
còn có xu hướng kết hợp lại với nhau
kèm theo việc giải phóng nhiệt hoặc ánh sáng. Chính quá trình này đã làm giảm
đáng kể hoạt tính xúc tác quang của vật liệu TiO

2
.
h
+
VB
+ e
-
CB
→ nhiệt, ánh sáng
1.3.3. Động học của quá trình quang xúc tác trên TiO
2
1.3.3.1. Động học của quá trình xúc tác quang
Về mặt động học, quá trình quang xúc tác gồm 5 giai đoạn sau:
1) Chuyển hóa các chất phản ứng trong pha lỏng lên bề mặt chất xúc tác
2) Hấp phụ ít nhất một chất phản ứng lên bề mặt chất xúc tác
3) Phản ứng xảy ra trên bề mặt chất xúc tác
4) Giải hấp phụ các sản phẩm phản ứng

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 13


: Khóa luận tốt nghiệp
5) Chuyển các sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt phân cách giữa hai pha
Phản ứng xúc tác quang xảy ra trong pha hấp phụ (giai đoạn 3).
Quá trình phân hủy quang xúc tác tuân theo phương trình động học
Langmuir – Hinshelwood đặc trưng cho quá trình xúc tác dị thể. Tốc độ phản
ứng (r) tỉ lệ với bề mặt bị che phủ bởi chất phản ứng (θ) theo phương trình sau:
r = kθ = k (
1
KC

KC+
) (1.1)
Trong đó: + k là hằng số tốc độ
+ K là hệ số hấp phụ của chất phản ứng trên bề mặt TiO
2
+ C là nồng độ của chất phản ứng
Đối với dung dịch có nồng độ ban đầu cao (C >5.10
-3
M, KC >> 1), tốc độ
phản ứng có dạng động học bậc không. Đối với các dung dịch loãng (C< 10
-3
M,
KC<<1), tốc độ phản ứng có dạng động học bậc nhất [11, 12].
Ngoài ra, phản ứng được xem là xảy ra trên bề mặt chất xúc tác, khi đó có
thể xảy ra hai trường hợp: một là, chất phản ứng và nước cạnh tranh nhau trên
tâm hoạt tính của chất xúc tác; hai là, không xảy ra sự cạnh tranh giữa chúng khi
hấp phụ lên tâm hoạt tính của chất xúc tác [13]. Khi đó, theo mô hình Langmuir
– Hinshelwood, tốc độ phản ứng (r) tỉ lệ với phần bề mặt chất phản ứng chiếm
chỗ (θ
x
).
- Khi có cạnh tranh giũa chất phản ứng và nước:
1
r x r
s s
dc KC
r k k
dt KC K C
θ
= − = =

+ +
(1.2)
- Khi không có cạnh tranh:
1
r x r
dc KC
r k k
dt KC
θ
= − = =
+
(1.3)
Trong đó: + k
r
là hằng số tốc độ phản ứng
+ K là hằng số hấp phụ chất phản ứng
+ C là nồng độ tại thời điểm xác định
+ K
s
là hằng số hấp phụ của dung môi
+ C
s
là nồng độ của dung môi (trong nước C
s
≈ 55,5M)

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 14


: Khóa luận tốt nghiệp

Trong thực tế, nồng độ của dung môi bao giờ cũng cao hơn rất nhiều so
với chất ô nhiễm. Cho nên, bề mặt chất xúc tác luôn bị nước che phủ và không
thay đổi theo C. Do vậy có thể biểu diễn phương trình động học như sau:
• Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (C
0
) thấp, ta có:
0
ln
C
kt
C
=
(1.4)
Trong đó: k là hằng số tốc độ biểu kiến và t là thời gian phản ứng.
k được tính dựa vào độ dốc của đường thẳng hồi quy của phương trình
(1.4). Cũng từ phương trình (1.4) tính được thời gian bán phân hủy (thời gian cần
thiết để phân hủy 50% nồng độ chất hữu cơ ban đầu) theo phương trình sau:
t
1/2
=
ln 2
k
=
0,693
k
(1.5)
• Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu cao, ta có:
(C
0
-C) = kt (1.6)

Phương trình động học trong trường hợp này có bậc không đối vối chất phản
ứng.
1.3.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quang xúc tác TiO
2
 Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác
Trong phản ứng quang hóa xúc tác, tốc độ ban đầu của của phản ứng tỉ lệ
thuận với hàm lượng của chất xúc tác (
2
TiO
C
). Tuy nhiên,
2
TiO
C
vượt lên một giá trị
giới hạn nào đó thì sự tăng tốc độ phản ứng sẽ chậm lại và trở nên không phụ
thuộc vào
2
TiO
C
. Giá trị giới hạn của
2
TiO
C
phụ thuộc vào bản chất phản ứng, cấu
hình và các điều kiện làm việc của hệ phản ứng. Giá trị giới hạn này tương ứng
với hàm lượng cực đại của TiO
2
sao cho toàn bộ bề mặt xúc tác đều được chiếu
sáng [11].

 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Do bản thân quá trình quang hóa xúc tác là một quá trình xảy ra ở nhiệt độ
thường với tác nhân oxi hóa chính là gốc tự do
•
OH nên đa số các phản ứng
quang hóa xúc tác không nhạy với nhiệt độ và rất ít thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt
độ tối ưu nằm trong khoảng 20 - 80
0
C.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 15


: Khóa luận tốt nghiệp
 Ảnh hưởng của pH
pH của dung dich phản ứng ảnh hưởng đến kích thước, diện tích bề mặt và
thế oxi hóa khử của các biên vùng năng lượng của chất xúc tác [14]. Điểm đẳng
điện pzc (point of zero charge, là giá trị pH của môi trường mà tại đó bề mặt vật
liệu trung hòa không mang điện tích) của TiO
2
trong môi trường nước có giá trị
nằm trong khoảng 5 - 6 [15]. Khi dung dịch có pH>pzc, bề mặt TiO
2
tích điện âm
làm giảm khả năng hấp phụ các anion lên bề mặt chất xúc tác. Ngược lại, khi
dung dịch có pH<pzc, bề mặt TiO
2
tích điện dương làm tăng khả năng hấp phụ
các anion lên bề mặt chất xúc tác. Đây là một yếu tố thuận lợi của quá trình
quang hóa xúc tác trên TiO

2
so với các quá trình oxi hóa nâng cao khác. Trong
nhiều công trình nghiên cứu, yếu tố pH không điều chỉnh mà được sử dụng đúng
như điều kiện tự nhiên để đánh giá hoạt tính xúc tác quang của TiO
2
.
 Ảnh hưởng của bước sóng và cường độ bức xạ
Xúc tác TiO
2
(pha anatase) có E
g
=3,2 eV tương ứng với khả năng hấp thụ
bức xạ có bước sóng λ≤388nm, với bức xạ có λ>388nm quá trình quang xúc tác
sẽ không xảy ra.
Tốc độ phản ứng của quá trình quang xúc tác tỉ lệ cường độ ánh sáng
trong vùng UV. Khi cường độ bức xạ nằm trong khoảng 0 - 20 mW/cm
3
thì tốc
độ quá trình quang hóa xúc tác tăng tuyến tính bậc nhất của cường độ bức xạ
[16]. Khi cường độ bức xạ vượt quá một giá trị nhất định (khoảng> 25 mW/cm
3
),
tốc độ quá trình quang hóa xúc tác tỉ lệ với căn bậc hai của cường độ bức xạ [11,
17].
Ngoài các yếu tố trên, động học quá trình xúc tác quang trên vật liệu TiO
2
còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như: nồng độ oxi, thành phần dung dịch,
thiết bị phản ứng, …

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 16


: Khóa luận tốt nghiệp
Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và dụng cụ
2.1.1. Hóa chất
- Bột titan đioxit TiO
2
(Merck, độ tinh khiết 99,99%)
- NaOH rắn (Trung Quốc)
- Dung dịch HCl đặc (36,5%) (Trung Quốc)
- Urê (NH
2
)
2
CO (Trung Quốc)
Công thức cấu tạo:
O
C
NH
2
NH
2
- Etanol C
2
H
5
OH (Trung Quốc)
- Metylen xanh (methylene blue: MB) C
16

H
18
N
3
ClS (Trung Quốc)
Công thức cấu tạo:

- Bột Fe
2
O
3
(Trung Quốc)
2.1.2. Dụng cụ
Bình Teflon có vỏ bọc thép (Autoclave), lò nung, cân phân tích điện tử,
máy khuấy từ, lò sấy hiệu Lenton, đèn halogen, máy đo phổ UV – Vis
(Shimadzu, Nhật Bản).
2.2. Tổng hợp vật liệu TiO
2
có cấu trúc nano
Cho 2 gam TiO
2
phân tán trong 50 ml NaOH 10M bằng máy khuấy từ trong
thời gian 30 phút, gia nhiệt ở 70
0
C thu được dung dịch có màu trắng sữa. Hỗn
hợp sau khi phân tán được cho vào bình teflon thủy nhiệt ở nhiệt độ 140
0
C trong
vòng 14 giờ.
Sau khi thủy nhiệt, bình teflon được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Sản

phẩm được rửa nhiều lần bằng nước cất và dung dịch HCl 0,1N cho đến khi nước

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 17


: Khóa luận tốt nghiệp
rửa đạt độ pH dưới 7. Lọc lấy chất rắn, sấy khô ở nhiệt độ 70
0
C trong 10 giờ. Sản
phẩm thu được có dạng bột trắng mịn.
Mẫu thu được đem đi đặc trưng để xác định cấu trúc, hình dạng, kích thước,
thành phần pha và diện tích bề mặt của vật liệu.
2.3. Tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của TiO
2
pha tạp nitơ
2.3.1.Tổng hợp TiO
2
pha tạp nitơ
Cân 0,5 gam TiO
2
tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt với 0,5 gam Urê
(tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
= 1:1), hỗn hợp được trộn đều và nghiền trong 30 phút sau đó
nung ở 450
0

C trong 30 phút. Sản phẩm thu được có màu vàng nhạt và được kí
hiệu là mẫu N(1:1). Tiến hành tương tự với mẫu N(1:2) (tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
= 1:2);
mẫu N(1:3) (tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
= 1:3). Khi tỉ lệ N càng tăng thì màu vàng của sản
phẩm thu được càng tăng (Hình 2.1). Các bột TiO
2
pha tạp N được kí hiệu chung
là TiO
2
:N.
Hình 2.1. Bột TiO
2
(a) và bột TiO
2
:N theo tỉ lệ 1:1 (b), 1:2 (c), 1:3 (d)
Sản phẩm thu được đem đo phổ UV – Vis rắn và XRD. Bảng 2.1 trình bày điều
kiện tổng hợp TiO
2
pha tạp N với các tỉ lệ khác nhau.

Bảng 2.1. Điều kiện tổng hợp TiO
2
pha tạp N với tỉ lệ khác nhau
Tên mẫu
2
TiO
m
(g)
m
Urê
(g)
Tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
Nhiệt độ nung (
0
C)
N(1:1) 0,5000 0,5000 1:1 450
N(1:2) 0,5000 1,0000 1:2 450
N(1:3) 0,5000 1,5000 1:3 450
2.3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột TiO
2
pha tạp N
a. Xử lí metylen xanh bằng đèn halogen

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 18
a

b
c
d


: Khóa luận tốt nghiệp
Cân 5 mg TiO
2
:N cho vào 10 ml dung dịch metylen xanh 20 mg/l, hỗn hợp
được khuấy trộn bằng máy khuấy từ để phân tán toàn bộ chất xúc tác trong dung
dịch phản ứng và được chiếu sáng bằng đèn halogen lần lượt với thời gian 30, 60,
90 và 120 phút. Sau đó mẫu được lấy ra, để lắng, lọc tách xúc tác và bảo quản
trong bóng tối để tránh quá trình quang xúc tác tiếp tục xảy ra. Sản phẩm thu
được đem đi đo phổ hấp thụ UV – Vis để kiểm tra độ phân hủy metylen xanh của
bột cần khảo sát. Bảng 2.2 trình bày điều kiện xử lí metylen xanh bằng đèn
halogen. Sự giảm phẩm chất quang của metylen xanh theo thời gian có thể quan
sát ở Hình 2.2.
Bảng 2.2. Điều kiện xử lí metylen xanh bằng đèn halogen
Tên mẫu Tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
Thời
gian xử
lí (phút)
Tên mẫu Tỉ lệ
2
Urê

:
TiO
m m

Thời
gian xử
lí (phút)
NH(1:1)-30
1:1
30 NH(1:2)-90
1:2
90
NH(1:1)-60 60 NH(1:2)-120 120
NH(1:1)-90 90 NH(1:3)-30
1:3
30
NH(1:1)-120 120 NH(1:3)-60 60
NH(1:2)-30
1:2
30 NH(1:3)-90 90
NH(1:2)-60 60 NH(1:3)-120 120
b. Xử lí metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 19
Hình 2.2. Màu của metylen xanh ban đầu (a) và sau khi xử lí trên xúc tác
N(1:1) bằng đèn halogen với thời gian 30 phút (b), 60 phút (c), 90 phút (d), 120
phút (e)
a
b
c

d
e


: Khóa luận tốt nghiệp
Cho vào đĩa thủy tinh 5 mg bột TiO
2
:N và 10 ml dung dịch metylen xanh 20
mg/l, hỗn hợp được chiếu bằng ánh sáng mặt trời với thời gian lần lượt là 30, 60,
90 và 120 phút. Sau đó, mẫu được đem lọc tách xúc tác và bảo quản ở trong bóng
tối để tránh quá trình quang xúc tác tiếp tục xảy ra. Sản phẩm thu được đem đo
phổ hấp thụ UV – Vis để kiểm tra độ phân hủy metylen xanh của bột xúc tác
tổng hợp được.
Thời gian thực hiện thí nghiệm khoảng từ 9 h đến 12 h những ngày có nắng
để đảm bảo cường độ ánh sáng tương đồng. Bảng 2.3 trình bày điều kiện xử lí
metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời.
Bảng 2.3. Điều kiện xử lí metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời
Tên mẫu Tỉ lệ
2
Urê
:
TiO
m m
Thời
gian xử
lí (phút)
Tên mẫu Tỉ lệ
2
Urê
:

TiO
m m
Thời gian
xử lí
(phút)
NM(1:1)-30
1:1
30 NM(1:2)-90
1:2
90
NM(1:1)-60 60 NM(1:2)-120 120
NM(1:1)-90 90 NM(1:3)-30
1:3
30
NM(1:1)-120 120 NM(1:3)-60 60
NM(1:2)-30
1:2
30 NM(1:3)-90 90
NM(1:2)-60 60 NM(1:3)-120 120
2.4. Tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác của TiO
2
pha tạp sắt
2.4.1. Tổng hợp TiO
2
pha tạp sắt
Cho 2,0970 gam TiO
2
và 0,0030 gam Fe
2
O

3
(m
Fe
chiếm 1‰ m
hỗn hợp
), phân
tán trong 50 ml NaOH 10M bằng máy khuấy từ trong thời gian 30 phút, gia nhiệt
ở 70
0
C thu được dung dịch trắng đục có pha màu tím nhạt. Hỗn hợp sau khi phân
tán được cho vào bình teflon thủy nhiệt ở nhiệt độ 140
0
C trong vòng 14 giờ.
Sau khi thủy nhiệt, bình teflon được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Sản
phẩm được rửa nhiều lần bằng nước cất và dung dịch HCl 0,1N cho đến khi nước
rửa đạt độ pH dưới 7. Lọc lấy chất rắn, sấy khô ở nhiệt độ 70
0
C trong 10 giờ. Bột
thu được đem nung ở 600
0
C trong 1 giờ, thu được sản phẩm có dạng bột mịn
màu tím nhạt và được kí hiệu là mẫu F1‰.
Tiến hành tương tự với mẫu F2‰ (m
Fe
chiếm 2‰ m
hỗn hợp
), mẫu F3‰ (m
Fe
chiếm 3‰ m
hỗn hợp

). Khi tỉ lệ Fe càng tăng thì màu tím của bột thu được càng tăng
(Hình 2.3). Các bột TiO
2
pha tạp sắt được kí hiệu chung là TiO
2
:Fe.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 20


: Khóa luận tốt nghiệp
Hình 2.3. Bột TiO
2
(a) và bột TiO
2
:Fe theo tỉ lệ 1‰ (b), 2‰ (c)
Sản phẩm thu được đem đi đo XRD. Bảng 2.4 trình bày điều kiện tổng hợp TiO
2
pha tạp Fe với các tỉ lệ khác nhau.
Bảng 2.4. Điều kiện tổng hợp TiO
2
pha tạp Fe với tỉ lệ khác nhau
Tên mẫu
2
TiO
m
(g)
2 3
Fe O
m

(g)
Tỉ lệ m
Fe
trong m
hỗn hợp
Nhiệt độ nung
(
0
C)
F1‰ 2,0970 0,0030 1‰ 600
F2‰ 2,0940 0,0060 2‰ 600
F3‰ 2,0910 0,0090 3‰ 600
2.3.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của bột TiO
2
pha tạp Fe
a. Xử lí metylen xanh bằng đèn halogen
Cho 5 mg TiO
2
:Fe vào 10 ml dung dịch metylen xanh 20 mg/l, hỗn hợp
được khuấy trộn bằng máy khuấy từ để phân tán đều toàn bộ chất xúc tác trong
dung dịch phản ứng và được chiếu sáng bằng đèn halogen lần lượt với thời gian
15, 30, 45, 60 và 90 phút. Sau đó mẫu được lấy ra, để lắng, lọc tách xúc tác và
bảo quản trong bóng tối để tránh quá trình quang xúc tác tiếp tục xảy ra. Sản
phẩm được đem đi đo phổ hấp thụ UV – Vis để kiểm tra độ phân hủy metylen
xanh của bột cần khảo sát. Bảng 2.5 trình bày điều kiện xử lí metylen xanh bằng
đèn halogen.
Bảng 2.5. Điều kiện xử lí metylen xanh bằng đèn halogen
Tên mẫu Tỉ lệ m
Fe
trong m

hỗn
hợp
Thời gian xử
lí (phút)
Tên mẫu Tỉ lệ m
Fe
trong m
hỗn
hợp
Thời gian
xử lí (phút)
FH1-15 1‰ 15 FH2-60 2‰ 60

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 21
a
b
c


: Khóa luận tốt nghiệp
FH1-30 30 FH2-90 90
FH1-45 45 FH3-15
3‰
15
FH1-60 60 FH3-30 30
FH1-90 90 FH3-45 45
FH2-15 2‰ 15 FH3-60 60
FH2-30 30 FH3-90 90
FH2-45 45
b. Xử lí metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời

Cho vào đĩa thủy tinh 5 mg bột TiO
2
:Fe và 10 ml dung dịch metylen xanh
20 mg/l, hỗn hợp được chiếu bằng ánh sáng mặt trời với thời gian lần lượt là 15,
30, 45 và 60 phút. Sau đó, mẫu được đem lọc tách xúc tác và bảo quản ở trong
bóng tối để tránh quá trình quang xúc tác tiếp tục xảy ra. Sản phẩm thu được đem
đo phổ hấp thụ UV – Vis để kiểm tra độ phân hủy metylen xanh của bột xúc tác
tổng hợp được.
Thời gian thực hiện thí nghiệm khoảng từ 9 h đến 12 h những ngày có nắng
để đảm bảo cường độ ánh sáng tương đồng. Bảng 2.6 trình bày điều kiện xử lí
metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời.
Bảng 2.6. Điều kiện xử lí metylen xanh bằng ánh sáng mặt trời
Tên mẫu Tỉ lệ m
Fe
trong
m
hỗn hợp
Thời gian
xử lí
(phút)
Tên mẫu Tỉ lệ m
Fe
trong
m
hỗn hợp
Thời gian
xử lí (phút)
FM1-15
1‰
15 FM2-45

2‰
45
FM1-30 30 FM2-60 60
FM1-45 45 FM3-15
3‰
15
FM1-60 60 FM3-30 30
FM2-15
2‰
15 FM3-45 45
FM2-30 30 FM3-60 60

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 22


: Khóa luận tốt nghiệp

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 23


: Khóa luận tốt nghiệp
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc trưng, tính chất của vật liệu TiO
2
có cấu trúc nano tổng hợp bằng
phương pháp thủy nhiệt
3.1.1. Vi cấu trúc
Vi cấu trúc của bột TiO
2
được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét phát

xạ trường (FE-SEM – Hitachi S-4800) và kính hiển vi điện tử truyền qua phân
giải cao (HR-TEM – JEOL-2010F). Hình 3.1 là ảnh SEM (hình a) và ảnh HR-
TEM (hình b và c) của bột TiO
2
tổng hợp được sau khi nung 450
0
C .
Hình 3.1. Ảnh SEM (hình a) và ảnh HR-TEM (hình b và c) của mẫu bột TiO
2
nung ở 450
0
C
Kết quả từ ảnh SEM cho thấy, sản phẩm sau khi nung ở 450
0
C có dạng ống
nano, giữa các ống có khoảng không gian, do đó xúc tác có cấu trúc xốp. Quan
sát rõ hơn ở Hình 3.1.b và 3.1.c cho thấy, ống nano được tạo thành từ các màng
mỏng cuộn lại, mỗi ống dài khoảng từ 80 nm đến 170 nm, đường kính ngoài cỡ
20 nm và đường kính trong cỡ 10 nm.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 24
a
b c


: Khóa luận tốt nghiệp
3.1.2. Cấu trúc của bột TiO
2
Cấu trúc của mẫu được đo bằng máy nhiễu xạ tia X (XRD – Siemen D-
5005) với tia bức xạ là với tia bức xạ là Cu-Kα (λ = 1,54056 Å), bước quét 0,02

0
.
Hình 3.2 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của bột TiO
2
.
Mau TiO2-100C
01-078-1508 (C) - Rutile, syn - TiO2 - Y: 18.60 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.59250 - b 4.59250 - c 2.95780 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62.
01-078-2486 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 91.90 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78450 - b 3.78450 - c 9.51430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) -
1)
File: Hung DHQN mau TiO2-100C.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 60.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 9 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000
Left Angle: 24.420 ° - Right Angle: 26.180 ° - Left Int.: 127 Cps - Right Int.: 125 Cps - Obs. Max: 25.358 ° - d (Obs. Max): 3.510 - Max Int.: 731 Cps - Net Height: 606 Cps - FWHM: 0.382 ° - Chord Mid.: 25
Lin (Cps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60
d=3.510
d=3.259
d=2.428
d=2.374
d=2.326
d=1.889

d=1.697
d=1.664
d=2.491
d=2.187
d=1.623
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột TiO
2

Từ Hình 3.2 ta thấy, các đỉnh tại vị trí 2θ = 25,36; 37,78; 48,00; 53,80 và
55,00 ứng với TiO
2
có cấu trúc tinh thể dạng anatase (kí hiệu ”A” trên hình),
không xuất hiện peak đặc trưng ứng với tinh thể dạng rutile. Chứng tỏ vật liệu
tổng hợp được có độ tinh thể hóa cao.
3.1.3. Diện tích bề mặt của bột TiO
2

Diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản của mẫu được đo bởi máy đo
diện tích bề mặt (BET): ASAP 2010 V5 H tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
Kết quả đo được trình bày ở Bảng 3.1.
Từ Bảng 3.1 ta thấy rằng bột TiO
2
chế tạo được có diện tích bề mặt là 330
m
2
/g. Kết quả này cũng xấp xỉ bằng một số nghiên cứu đã công bố như của
A.Grimes là 295 m
2
/g [18], Kasuga là 399 m
2

/g [19] và lớn hơn rất nhiều so với
vật liệu chuẩn P25 là 50 m
2
/g. Như vậy, bột TiO
2
tổng hợp được rất thích hợp để
ứng dụng vào các mục đích xử lý nước và không khí bằng các phản ứng quang
xúc tác.

: Phù Thị Bích Phượng - SP Hóa K29 25
A
A
A
A
A