nghiên cứu biến tính tio2 nano bằng cr(iii) làm chất xúc tác quang hóa trong vùng ánh sáng trông thấy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN






HOÀNG THANH THÚY






NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TiO
2
NANO
BẰNG Cr(III) LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG HÓA
TRONG VÙNG ÁNH SÁNG TRÔNG THẤY







LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI, 2011
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


1

MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ .1
Danh mục bảng biểu………………………………………………3
Mở đầu .4
CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN 8
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ XÚC TÁC QUANG HÓA .
8
1.1.1 Vật liệu bán dẫn và xúc tác quang hóa 8
1.1.2. Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể. 10
1.1.3. Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang. 11
1.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA TiO
2
15
1.2.1. Các dạng cấu trúc và tính chất vật lý [43] 15
1.2.2. Sự chuyển pha trong TiO
2

17
1.2.3. Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của TiO
2
kích thước nanomet
19
1.2.4. Tính chất hóa học của TiO
2
22
1.2.5. Tính chất xúc tác quang hoá của TiO
2
ở dạng anatase 23
1.2.6. Cơ chế xúc tác quang của TiO
2
24
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC
CỦA NANO TiO
2
26
1.3.1.Sự tái kết hợp lỗ trống và electron quang sinh. 26
1.3.2. pH dung dịch 28
1.3.3. Nhiệt độ 28
1.3.4. Các tinh thể kim loại gắn trên xúc tác 28
1.3.5. Pha tạp (doping) ion kim loại vào tinh thể TiO
2
29
1.3.6. Các chất diệt gốc hydroxyl 30
1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANO TiO
2
30
1.4.1.Các phương pháp điều chế nano [16] 30

1.4.2.Các phương pháp điều chế nano TiO
2
được sử dụng trong luận văn
32
1.4.3. Biến tính (doping) nano TiO
2
36
1.4.4. Ứng dụng của nano TiO
2
và nano TiO
2
biến tính 38
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


2

1.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và hiệu suất trong quá
trình điều chế TiO
2
39
1.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH SẢN PHẨM 42
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 42
1.5.2. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope SEM) 44
1.5.3. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (Ultra Violet - visible,
Uv-vis). 45
1.5.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ (Ađosorption and
Desorption) 46
CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM 48
2.1. Dụng cụ và hóa chất 48

2.1.1. Dụng cụ 48
2.1.2. Hóa chất 48
2.2. Tổng hợp vật liệu 49
2.2.2. Tổng hợp vật liệu nano TiO
2
biến tính bởi Cr(III) bằng phương
pháp sol-gel thủy nhiệt
49
2.3. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 51
2.4. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định COD bằng phƣơng pháp dicromat 51
2.4.1. Pha hóa chất 51
2.4.2. Phương pháp xác định 52
2.4.3. Xây dựng đường chuẩn xác định giá trị đo COD 52
2.5. Khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu 53
2.5.1. Đường chuẩn xác định nồng độ của các hợp chất 53
2.5.2. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu 55
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56
3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu 56
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu đƣợc chúng tôi khảo
sát là: 56
- Nhiệt độ nung mẫu khảo sát ở 500
o
C, 600
o
C, 700
o
C đối với mẫu TiO
2

đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp sol – gel là 56

3.2. Nghiên cứu các đặc trƣng của vật liệu 57
3.2.2. Đặc trưng hình thái học và thành phần của vật liệu 61
3.3. Thí nghiệm xúc tác phân hủy RhodaminB 63
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


3

3.3.1. Ảnh hưởng của một số điều kiện tổng hợp đến hoạt tính quang
xúc tác của vật liệu 63
3.3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy
RhodaminB bằng vật liệu xúc tác TiO
2
biến tính bởi Cr(III) 70
3.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác 73
3.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu 10-CT05 đối với quá
trình phân hủy thuốc nhuộm, phenol đỏ, nƣớc thải dệt nhuộm 74
3.5.1. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu đối với quá trình
phân hủy thuốc nhuộm vàng axit AX-2R, vàng phân tán E-3G, phenol
đỏ 74
3.5.2. Xử lý mẫu thực tế 79
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn 10
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO
2
14

Hình 1.3. Hình khối bát diện của TiO
2
15
Hình 1.4. (A) Mật độ trạng thái (DOS) tổng cộng và mật độ trạng thái thành
phần của TiO
2
anatase. (B) Cấu trúc liên kết obitan phân tử của TiO
2

anatase. 17
Hình1. 5. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile. 21
Hình 1.6. Sự hình thành các gốc
OH

và
2
O

22
Hình 1.7. Cơ chế xúc tác quang hóa sử dụng TiO
2
23
Hình 1.8. Sơ đồ mô phỏng hai phương pháp điều chế vật liệu kích thước nm.
.30
Hình 1.9. Sơ đồ chung của phương pháp sol - gel điều chế vật liệu 31
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


4

Hình 1.10. Doping chất bán dẫn làm giảm năng lượng vùng cấm 35
Hình1.11. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg 41
Hình 1.12. Nhiễu xạ kế tia X D8 - Advance 5005 (CHLB Đức) 42
Hình 2.1. Quy trình điều chế nano TiO
2
biến tính bởi Cr(III) 49
Hình 2.2. Đường chuẩn xác định COD 52
Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B 53
Hình 2.4. Đường chuẩn xác định nồng độ Phenol đỏ 53
Hình 3.1. Phổ XRD của TS500 56
Hình 3.2. Phổ XRD của TS600 57
Hình 3.3. Phổ XRD của mẫu TS700 57
Hình 3.4. Phổ XRD của mẫu 10-CT05 59
Hình 3.5. Phổ XRD của mẫu 10-CT03 59
Hình 3.6. Phổ XRD của mẫu 10-CT1 60
Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu biến tính TiO
2
61
Hình 3.8. Phổ EDX của mẫu xúc tác 0,5%Cr-TiO
2
61
Hình 3.9. Phổ UV-Vis của mấu TS500 62
Hình 3.10. Phổ UV – Vis của mẫu biến tính TiO
2
bởi Cr (III) 62
Hình 3.11. Phổ UV – vis của mẫu TiO
2
và mẫu TiO
2
biến tính bởi Cr(III) 63

Hình 3.12. Khả năng phân hủy Rhodamin B của các vật liệu 8-CT05, 10-
CT05, 12-CT05, 14-CT05 65
Hình 3.13. Phổ UV – vis của các mẫu xúc tác 8-CT05, 10-CT05, 12-CT05,
14-CT05 65
Hình 3.14. Khả năng phân hủy Rhodamin B của vật liệu Cr doped TiO
2
với tỉ
lệ Cr khác nhau 67
Hình 3.15. Dải hấp thụ đặc trưng của các mẫu xúc tác 68
Hình 3.16. Khả năng phân hủy Rhodamin B của vật liệu TiO
2
và TiO
2
biến
tính bởi Cr(III) 70
Sấy khô 100
o
C
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


5

Hình 3.17. Ảnh hưởng của pH đến khả năng phân hủy Rhodamin B 72
Hình 3.18. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến sự phân hủy Rhodamin B 73
Hình 3.19. Kết quả tái sử dụng xúc tác TiO
2
biến tính bởi Cr 75
Hình 3.20. Sự biến đổi COD của AX – 2R theo thời gian xử lý 76
Hình 3.21. Sự biến đổi mật độ quang của AX – 2R giảm theo thời gian xử

lý 77
Hình 3.22. Sự biến đổi COD của E – 3G theo thời gian xử lý 78
Hình 3.23. Sự biến đổi mật độ quang của E – 3G theo thời gian xử lý 79
Hình 2.24. Sự biến đổi nồng độ Phenol đỏ theo thời gian xử lý 80
Hình 3.25. Sự biến đổi COD của mẫu thực theo thời gian xử lý 81


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase 14
Bảng 1.2. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng thuỷ phân vào kích thước nhóm
ankyl của ankoxit 38
Bảng 2.1. Thiết lập đường chuẩn phụ thuộc mật độ quang và COD 51
Bảng 2.2. Sự phụ thuộc nồng độ và mật độ quang của Rhodamin B 52
Bảng 2.3. Sự phụ thuộc nồng độ và mật độ quang của Phenol đỏ 53
Bảng 3.1. Kí hiệu của các sản phẩm 55
Bảng 3.2. Kích thước hạt TiO
2
tổng hợp ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau 58
Bảng 3.3. Kích thước hạt của mẫu biến tính TiO
2
60
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt đến hoạt tính xúc tác phân hủy
Rhodamin B 64
Bảng 3.5. Sự phân hủy của Rhodamin B theo thời gian xử lý bằng các xúc tác
TiO
2
biến tính bởi Cr ở các nồng độ khác nhau 67
Bảng 3.6. Hàm lượng Cr được pha tạp vào trong cấu trúc mạng TiO
2
68

Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


6

Bảng 3.7. Hoạt tính xúc tác của vật liệu TiO
2
và TiO
2
biến tính bởi Cr 69
Bảng 3.8. Sự biến đổi nồng độ Rhodamin B theo thời gian ở các pH khác
nhau 71
Bảng 3.9. Ảnh hưởng lượng xúc tác tới khả năng phân hủy Rhodamin B 73
Bảng 3.10. Kết quả tái sử dụng xúc tác TiO
2
biến tính bởi Cr 74
Bảng 3.11. Hiệu suất xử lý đối với AX-2R 76
Bảng 3.12. Hiệu suất xử lý đối với E-3G 78
Bảng 3.13. Sự biến đổi nồng độ Phenol đỏ bị phân hủy theo thời gian 79
Bảng 3.14. Sự biến đổi giá trị COD của mẫu nước thải dệt nhuộm theo thời
gian xử lý 80

MỞ ĐẦU
Trong một vài thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của
đất nƣớc, các nghành công nghiệp, nông nghiệp, các làng nghề … ở Việt Nam
đã có những tiến bộ không ngừng cả về số lƣợng cũng nhƣ chủng loại các sản
phẩm và chất lƣợng cũng ngày càng đƣợc cải thiện. Bên cạnh những tác động
tích cực do sự phát triển mang lại thì cũng phải kể đến những tác động tiêu
cực. Một trong những mặt tiêu cực đó là các loại chất thải do các nghành công
nghiệp thải ra ngày càng nhiều làm ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống và sức

khoẻ của ngƣời dân. Môi trƣờng sống của ngƣời dân đang bị đe dọa bởi các
chất thải công nghiệp, trong đó vấn đề bức xúc nhất phải kể đến nguồn nƣớc.
Hầu hết các hồ, ao sông, ngòi đi qua các nhà máy công nghiệp ở Việt Nam
đều bị ô nhiễm đặc biệt là các hồ ao trong các đô thị lớn nhƣ Hà Nội và Thành
phố Hồ Chí Minh. Chính vì vậy, một vấn đề đặt ra là cần có những công nghệ
hữu hiệu, có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm có trong môi trƣờng nƣớc.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


7

Trong số các chất gây ô nhiễm nguồn nƣớc, đáng chú ý là những chất
hữu cơ bền có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và gây nhiễm độc cấp
tính, mãn tính cho con ngƣời nhƣ: phenol, các hợp chất của phenol, các loại
thuốc nhuộm, Rhodamin B…. Do vậy, việc nghiên cứu, xử lý nhằm giảm
thiểu đến mức thấp nhất ô nhiễm là đặc biệt cần thiết.
Nhiều công nghệ tiên tiến xuất hiện trong các thập kỷ gần đây đã đƣợc ứng
dụng trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải. Hiện nay trên thế giới có nhiều
phƣơng pháp xử lý ô nhiễm nhƣ phƣơng pháp hấp phụ, phƣơng pháp sinh học,
phƣơng pháp oxi hóa – khử, phƣơng pháp oxi hóa nâng cao… Trong các
phƣơng pháp trên phƣơng pháp oxi hóa nâng cao có nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ
hiệu quả sử lý cao, khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại
thành các hợp chất vô cơ ít độc hại và đƣợc quan tâm ứng dụng rộng rãi trong xử
lý môi trƣờng.
Trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp oxi hóa nâng cao
trong xử lý môi trƣờng, TiO
2
với vai trò một chất xúc tác quang hóa tiêu biểu
đã đƣợc nhiều quốc gia phát triển nhƣ Mĩ, Nhật Bản, Đức…trên thế giới
nghiên cứu, vì TiO

2
có ƣu điểm là giá thành rẻ, bền trong những điều kiện
môi trƣờng khác nhau, không độc hại, không gây ô nhiễm thứ cấp.
Titan đioxit (TiO
2
) là chất bán dẫn có dải trống năng lƣợng của rutile là
3.05 eV và của anatase là 3.25 eV nên có khả năng thực hiện các phản ứng
quang xúc tác. Khả năng quang xúc tác của TiO
2
thể hiện ở 3 hiệu ứng: quang
khử nƣớc trên điện cực TiO
2
, tạo bề mặt siêu thấm nƣớc và quang xúc tác
phân hủy chất hữu cơ dƣới ánh sáng tử ngoại λ < 380 nm. Vì vậy hiện nay vật
liệu TiO
2
đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhiều, nhất là trong lĩnh vực xử lý
môi trƣờng nƣớc và khí với vai trò xúc tác quang hóa.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


8

Tuy nhiên phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời đến bề mặt trái
đất chỉ chiếm ~ 4% nên việc sử dụng nguồn bức xạ này vào mục đích xử lý
môi trƣờng với xúc tác quang TiO
2
bị hạn chế. Để mở rộng khả năng sử dụng
năng lƣợng bức xạ mặt trời cả ở vùng ánh sáng nhìn thấy vào phản ứng quang
xúc tác, cần giảm năng lƣợng vùng cấm của TiO

2
. Để đạt mục đích đó, nhiều
công trình nghiên cứu đã tiến hành đƣa các ion kim loại và không kim loại lên
bề mặt hoặc vào cấu trúc TiO
2
.
Trên những cơ sở khoa học và thực tiễn đó: em đã thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu biến tính TiO
2
nano bằng Cr(III) làm chất xúc tác quang
hóa trong vùng ánh sáng trông thấy”
CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ XÚC TÁC QUANG HÓA
1.1.1 Vật liệu bán dẫn và xúc tác quang hóa
Năm 1930, khái niệm xúc tác quang ra đời. Trong hoá học nó dùng để
nói đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và
ánh sáng, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác,
giúp cho phản ứng xảy ra.
Việc sử dụng chất bán dẫn làm xúc tác quang hóa và áp dụng vào xử lý
môi trƣờng đang thu hút đƣợc sự quan tâm nhiều hơn so với các phƣơng pháp
thông thƣờng khác. Trong phƣơng pháp này bản thân chất xúc tác không bị
biến đổi trong suốt quá trình và không cần cung cấp nhiên liệu khác cho hệ
phản ứng. Ngoài ra, phƣơng pháp này còn có các ƣu điểm nhƣ: có thể thực
hiện trong nhiệt độ và áp suất bình thƣờng, có thể sử dụng nguồn UV nhân
tạo hoặc thiên nhiên, chất xúc tác rẻ tiền và không độc.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


9

Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và
chất cách điện. Gọi là “bán dẫn” có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện
nào đó, hoăch ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Khi giải thích cơ chế
dẫn điện của chất bán dẫn ngƣời ta phân thành chất bán dẫn loại n ( dẫn
electron) và bán dẫn loại p ( dẫn lỗ trống dƣơng) [12].
Theo phƣơng pháp obitan phân tử, chúng ta có thể hình dung sự tạo
thành các vùng năng lƣợng trong mạng lƣới tinh thể nhƣ sau: Ở các nguyên tử
riêng lẻ (khi chúng ở xa nhau nhƣ trong pha khí), các electron chiến các mức
năng lƣợng hoàn toàn xác định. Khi các nguyên tử dịch lại gần nhau nhƣ
trong mạng lƣời tinh thể thì các obitan phân tử đƣợc hình thành. Nếu tổ hợp n
nguyên tử sẽ tạo thành N mức năng lƣợng khác nhau của N obitan phân tử. N
mức năng lƣợng này tạo thành một miền năng lƣợng liên tục. Trong đó:
- Vùng năng lƣợng đã đƣợc lấp đầy electron, đƣợc gọi là vùng hóa trị
(hay miền hóa trị). Trong vùng này, điện tử liên kết mạnh mẽ với nguyên tử
và không linh động, chúng giữ vai trò liên kết trong mạng lƣới tinh thể.
- Vùng năng lƣợng còn để trống (cao hơn vùng hóa trị) gọi là vùng dẫn
(Condution band) hay miền dẫn. Trong vùng này, điện tử sẽ linh động (nhƣ
các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất có
khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính chất dẫn điện
tăng khi điện tử trên vùng dẫn tăng.
- Tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử và mức độ đối xứng của tinh thể mà
vùng hóa trị và vùng dẫn có thể xen phủ hoặc không xen phủ nhau. Trong
trƣờng hợp không xen phủ nhau thì vùng hóa trị và vùng dẫn cách nhau một
khoảng năng lƣợng gọi là vùng cấm Eg(Forbidden band) hay miền cấm.
Trong vùng cấm, điện tử không thể tồn tại. Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn
và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lƣợng vùng cấm.[46]
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


10

Tùy theo giá trị vùng cấm mà ngƣời ta phân ra thành các chất cách điện
(Eg > 3,5 eV), chất bán dẫn (Eg < 3,5eV). Chất dẫn điện kim loại có Eg = 0.
Tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lƣợng nhƣ
nhiệt độ, ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lƣợng từ
photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lƣợng đủ lớn. Kết quả là trên
vùng dẫn sẽ có các electron (e
-
) mang điện tích âm – đƣợc gọi là electron
quang sinh (photogenerated electron) và trên vùng hóa trị sẽ có vô số những
lỗ trống (h
+
) mang điện tích dƣơng – đƣợc gọi là lỗ trống quang sinh
(photogenerated hole) [40]. Chính các electron và lỗ trống quang sinh này là
nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học xảy ra, bao gồm quá trình khử
electron quang sinh và quá trình oxi hóa các lỗ trống quang sinh. Khả năng
khử và oxi hóa của các electron và lỗ trống quang sinh là rất cao (từ +0,5eV
đến -1,5eV đối với các electron quang sinh và từ +1,0eV đến +3,5eV đối với
các lỗ trống quang sinh). Các electron quang sinh và các lỗ trống quang sinh
có thể di chuyển tới bề mặt của các hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hoặc gián
tiếp với các chất bị hấp phụ bề mặt.
Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ
trống và có sự trao đổi electron với các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là
chất bán dẫn.
1.1.2. Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể.
Quá trình xúc tác quang dị thể có thể đƣợc tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng.
Cũng giống nhƣ các quá trình xúc tác dị thể khác, quá trình xúc tác quang dị
thể đƣợc chia thành 6 giai đoạn nhƣ sau:
- Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến
bề mặt xúc tác.

Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


11

- Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.
- Hấp thụ photon ánh sáng, phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản
sang trạng thái kích thích electron.
- Phản ứng quang hóa, đƣợc chia làm 2 giai đoạn nhỏ:
Phản ứng quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử bị kích thích (các phân tử
chất bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ. Phản
ứng quang hóa thứ cấp, còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng
nhiệt, đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp.
- Nhả hấp phụ các sản phẩm.
- Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng.
Tại giai đoạn 3, phản ứng xúc tác quang hoá khác phản ứng xúc tác truyền
thống ở cách hoạt hoá xúc tác. Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác
đƣợc hoạt hoá bởi nhiệt còn trong phản ứng xúc tác quang hoá, xúc tác đƣợc
hoạt hoá bởi sự hấp thụ ánh sáng.
1.1.3. Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang.
- Có hoạt tính quang hoá.
- Có năng lƣợng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng tử ngoại
hoặc ánh sáng nhìn thấy.
Quá trình đầu tiên của quá trình xúc tác quang dị thể phân hủy các chất hữu
cơ và vô cơ bằng chất bán dẫn (Semiconductor ) là sự sinh ra của cặp điện tử -
lỗ trống trong chất bán dẫn.
Có rất nhiều chất bán dẫn khác nhau đƣợc sử dụng làm chất xúc tác quang
nhƣ: TiO
2
, ZnO, ZnS, CdS… Khi đƣợc chiếu sáng có năng lƣợng photon (hυ)

thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lƣợng vùng cấm E
gb
(hv ≥ E
gb
),
thì sẽ tạo ra các cặp electron (e
-
) và lỗ trống (h
+
). Các e đƣợc chuyển lên
vùng dẫn (quang electron), còn các lỗ trống ở lại vùng hoá trị.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


12

Các phân tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác gồm hai
loại:
• Các phân tử có khả năng nhận e (Acceptor).
• Các phân tử có khả năng cho e (Donor).
Quá trình chuyển điện tử có hiệu quả hơn nếu các phân tử chất hữu cơ
và vô cơ bị hấp phụ trƣớc trên bề mặt chất xúc tác bán dẫn (SC). Khi đó, các
electron ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận
electron (A), và quá trình khử xảy ra, còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có
các phân tử có khả năng cho electron (D) để thực hiện phản ứng oxy hoá:

hυ + (SC) → e
-
+ h
+

A(ads) + e
-
→ A
-
(ads)
D(ads) + h
+
→ D
+
(ads)
Các ion A
-
(ads) và D
+
(ads) sau khi đƣợc hình thành sẽ phản ứng với
nhau qua một chuỗi các phản ứng trung gian và sau đó cho ra các sản phẩm
cuối cùng.
Nhƣ vậy quá trình hấp thụ photon của chất xúc tác là giai đoạn khởi
đầu cho toàn bộ chuỗi phản ứng. Trong quá trình xúc tác quang, hiệu suất
lƣợng tử có thể bị giảm bởi sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống.
e
-
+ h
+
→ (SC) + E
Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hoà và E là năng lƣợng đƣợc giải
phóng ra dƣới dạng bức xạ điện từ ( hυ’ ≤ hυ ) hoặc nhiệt.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20

13


Hình 1.1. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn
Hiệu quả của quá trình quang xúc tác có thể đƣợc xác định bằng hiệu
suất lƣợng tử, đó là tỉ lệ giữa số phân tử phản ứng trên số photon hấp thụ.
Việc đo ánh sáng bị hấp thụ thực tế rất khó khăn ở trong hệ dị thể vì sự tán xạ
của ánh sáng bởi bề mặt chất bán dẫn. Để xác định hiệu suất lƣợng tử chúng
ta phải tuân theo 2 định luật quang hóa sau đây:
Định luật Grotthuss và Draper: Chỉ có ánh sáng bị hệ hấp thụ mới có
khả năng gây ra phản ứng, hay nói cách khác là phản ứng quang hóa chỉ xảy
ra khi ánh sáng đƣợc hấp thụ bởi các phân tử bán dẫn.
Định luật Einstein: Một photon hay lƣợng tử ánh sáng bị hấp thụ thì chỉ
có khả năng kích thích một phân tử trong giai đoạn sơ cấp.
Hiệu suất lƣợng tử của hệ lý tƣởng (φ) đƣợc xác định bởi hệ thức đơn
giản:
o





Trong đó: ∆N là số phân tử phản ứng
∆N
o
là số photon bị hấp phụ
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20

14

Khi một phân tử chất bán dẫn bị kích thích và phân ly ra một electron
kèm theo một lỗ trống, số electron này có thể chuyển tới chất phản ứng, ta gọi
là N
c
, số còn lại kết hợp với lỗ trống để tạo lại một phân tử trung hòa N
k
.
Theo định luật Einstein ta có:
o c k
    

Giả sử mỗi phân tử (A) tham gia phản ứng nhận 1 electron, khi đó số
phân tử phản ứng sẽ bằng số electron đƣợc vận chuyển.
c
  

Vậy hiệu suất lƣợng tử có giá trị:
c
ck



  

Nếu ta xét quá trình xảy ra trong một đơn vị thời gian thì có thể thay số
electron bằng tốc độ vận chuyển electron k
c
và tốc độ tái kết hợp electron k

c
:
c
ck
k
kk





Ở đây ta thừa nhận sự khuyếch tán của sản phẩm vào dung dịch xảy ra
rất nhanh, không có phản ứng ngƣợc tách điện tử của A
-
, và tách lỗ trống của
D
+
. Để tăng hiệu suất lƣợng tử (φ) chúng ta phải nghĩ cách tăng tốc độ
chuyển điện tử k
c
và giảm tốc độ tái kết hợp electron với lỗ trống k
k
. ”Bẫy
điện tích” đƣợc sử dụng để thúc đẩy sự bẫy điện tử và lỗ trống ở bề mặt, tăng
thời gian tồn tại của electron và lỗ trống trong bán dẫn. Điều này dẫn tới việc
làm tăng hiệu quả của quá trình chuyển điện tích tới chất phản ứng.
Bẫy điện tích có thể đƣợc tạo ra bằng cách biến tính bề mặt chất bán
dẫn nhƣ đƣa thêm kim loại, chất biến tính vào hoặc sự tổ hợp với các chất bán
dẫn khác dẫn tới sự giảm tốc độ tái kết hợp điện tử - lỗ trống và tăng hiệu suất
lƣợng tử của quá trình quang xúc tác.

Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


15

1.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA TiO
2

TiO
2
là một trong những vật liệu cơ bản trong ngành công nghệ nano bởi
nó có các tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt và có độ bền cao, thân
thiện với môi trƣờng. Vì vậy, TiO
2
có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống nhƣ
hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo các loại thủy tinh, men và gốm chịu
nhiệt… Ở dạng hạt mịn kích thƣớc nanomet TiO
2
đƣợc ứng dụng trong các
lĩnh vực chế tạo pin mặt trời, sensor, làm chất quang xúc tác xử lý môi
trƣờng, chế tạo vật liệu tự làm sạch… Đặc biệt TiO
2
đƣợc quan tâm trong lĩnh
vực làm xúc tác quang hóa phân hủy các chất hữu cơ và xử lý môi trƣờng.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc của TiO
2
để thấy đƣợc mối liên
hệ giữa cấu trúc và tính chất của TiO
2
, chính mối liên hệ này mang lại những

ứng dụng thiết thực của TiO
2
.
1.2.1. Các dạng cấu trúc và tính chất vật lý [43]
TiO
2
là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì
trở lại màu trắng. Tinh thể TiO
2
có độ cứng cao, khó nóng chảy (
o
nc
t
= 1870
o
C).
TiO
2
có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh
thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic)
(Hình 2).
Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO
2
, có mạng lƣới tứ phƣơng trong
đó mỗi ion Ti
4+
đƣợc ion O
2-
bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển
hình của hợp chất có công thức MX

2
. Anatase và brookite là các dạng giả bền
và chuyển thành rutile khi nung nóng.
Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO
2
tồn tại trong tự nhiên nhƣ là các
khoáng, nhƣng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là đƣợc tổng hợp ở
nhiệt độ thấp. Hai pha này cũng đƣợc sử dụng trong thực tế làm chất màu,
chất độn, chất xúc tác Các pha khác (kể cả pha ở áp suất cao) chẳng hạn nhƣ
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


16

brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuy vậy brookite bị hạn chế bởi
việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase là điều khó khăn.




Dạng anatase
Dạng rutile
Dạng brookite



Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO
2
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase
Các thông số

Rutile
Anatase
Cấu trúc tinh thể
Tứ diện
Tứ diện
Thông số mạng
A (Å)
4.58
3.78
C (Å)
2.95
9.49
Khối lƣợng riêng (g/cm
3
)
4.25
3.895
Chiết suất
2.75
2.54
Độ rộng vùng cấm (eV)
3.05
3.25
Nhiệt độ nóng chảy
1830  1850
O
C
Ở nhiệt độ cao
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20

17

chuyển thành rutile
Cấu trúc mạng lƣới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều
đƣợc xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO
6
nối với nhau
qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung. Mỗi ion Ti
4+
đƣợc bao quanh bởi tám mặt
tạo bởi sáu ion O
2-
.

Hình 1.3. Hình khối bát diện của TiO
2

Các mạng lƣới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự
biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra. Hình tám
mặt trong rutile không đồng đều hơi bị biến dạng thoi . Các octahedra của
anatase bị biến dạng mạnh hơn, vì vậy mức đối xứng của hệ là thấp hơn.
Khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhƣng khoảng cách Ti-
O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile. Trong cả ba dạng thù hình của
TiO
2
các octahedra đƣợc nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh (Hình 1.2 và
Hình 1.3).
1.2.2. Sự chuyển pha trong TiO
2

Hầu hết các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng quá trình thuỷ phân các
muối vô cơ đều tạo ra tiền chất titan đioxit dạng vô định hình hoặc dạng cấu
trúc anatase hay rutile.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


18

Khi nung axit metatitanic H
2
TiO
3
một sản phẩm trung gian chủ yếu của
quá trình sản xuất TiO
2
nhận đƣợc khi thuỷ phân các dung dịch muối titan, thì
trƣớc hết tạo thành anatase. Khi nâng nhiệt độ lên thì anatase chuyển thành
rutile.
Quá trình chuyển dạng thù hình của TiO
2
vô định hình - anatase - rutile
bị ảnh hƣởng rõ rệt bởi các điều kiện tổng hợp và các tạp chất, quá trình
chuyển pha từ dạng vô định hình hoặc cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile
xảy ra ở nhiệt độ trên 450
o
C.
Ví dụ: Với các axit metatitanic sạch, không có tạp chất, thì nhiệt độ
chuyển pha từ anatase thành rutile sẽ nằm trong khoảng 610730
o

C. Với axit
metatitanic thu đƣợc khi thuỷ phân các muối clorua và nitrat của titan thì quá
trình chuyển thành rutile dễ dàng hơn nhiều (ở gần 500
o
C). Trong khi đó, với
axit metatitanic đã đƣợc điều chế bằng cách thuỷ phân các muối sunfat thì nhiệt
độ chuyển pha sẽ cao hơn, nằm trong khoảng 850900
o
C. Điều này có thể là do
có sự liên quan đến sự có mặt của các sunfat bazơ hoặc là các anion sunfat nằm
dƣới dạng hấp phụ.
Ngoài ion SO
4
2-
nhiệt độ chuyển anatase thành rutile cũng bị tăng cao
khi có mặt một lƣợng nhỏ tạp chất SiO
2
, cũng nhƣ khi có mặt HCl trong khí
quyển bao quanh.
Theo công trình [5] thì năng lƣợng hoạt hoá của quá trình chuyển
anatase thành rutile phụ thuộc vào kích thƣớc hạt của anatase, nếu kích thƣớc
hạt càng bé thì năng lƣợng hoạt hoá cần thiết để chuyển anatase thành rutile
càng nhỏ.
Theo các tác giả công trình [4] thì sự có mặt của pha brookite có ảnh
hƣởng đến sự chuyển pha anatase thành rutile: Khi tăng nhiệt độ nung thì tốc
độ chuyển pha brookit sang rutile xảy ra nhanh hơn tốc độ chuyển pha anatase
sang rutile nên tạo ra nhiều mầm tinh thể rutile hơn, đặc biệt với các mẫu
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20

19

TiO
2
chứa càng nhiều pha brookit thì sự chuyển pha anatase sang rutile xảy ra
càng nhanh. Quá trình xảy ra hoàn toàn ở 900
o
C.
1.2.3. Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của TiO
2
kích thước nanomet
Giản đồ mật độ trạng thái và cấu trúc liên kết obitan phân tử (MO) của
TiO
2
anatase đƣợc đƣa ra trong hình 1.4

Hình 1.4. (A) Mật độ trạng thái (DOS) tổng cộng và mật độ trạng thái
thành phần của TiO
2
anatase.
(B) Cấu trúc liên kết obitan phân tử của TiO
2
anatase.
Hình 4 ta thấy:
Hình 4A: Mật độ trạng thái (DOS) tổng cộng và mật độ trạng thái thành
phần của TiO
2
anatase. DOS của TiO
2
đƣợc phân chia thành Ti e

g
, Ti t
2g
(d
xy
,
d
yz
và d
zx
), O p
σ
và O

p
. Đỉnh của vùng hóa trị (đƣờng nét liền thẳng đứng)
biểu diễn mức năng lƣợng là 0.
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


20

Hình 4B: Đƣờng nét đứt thẳng đứng chỉ ra cực đại vùng dẫn. Cấu trúc
liên kết obitan phân tử của TiO
2
anatase.
(a) Các mức AO của Ti và O; (b) Các mức tách trong trƣờng tinh thể;
(c) Các trạng thái tƣơng tác cuối cùng trong anatase. Các phần đóng góp nhiều
hay ít lần lƣợt đƣợc biểu diễn bằng các đƣờng liền hoặc đƣờng nét đứt.
DOS của TiO

2
đƣợc phân chia thành Ti e
g
, Ti t
2g
(d
xy
, d
yz
và d
zx
), và O p
σ
và O p
п
(Hình 4A). Vùng hóa trị (VB) có thể phân chia thành 3 vùng chính:
liên kết σ ở vùng năng lƣợng thấp hơn chủ yếu do liên kết O p
σ
; liên kết п ở
vùng năng lƣợng trung bình, và các trạng thái O p
п
trong vùng năng lƣợng cao
hơn do các trạng thái O p
п
phản liên kết ở đỉnh của VB nơi mà sự lại hóa với
các trạng thái d là không đáng kể. Phần đóng góp của liên kết п yếu hơn nhiều
so với của liên kết σ. Vùng dẫn (CB) đƣợc chia thành các dải Ti e
g
(> 5 eV)
và t

2g
(< 5 eV). Trạng thái d
xy
tập trung phần lớn ở đáy của CB. Phần còn lại
của các dải t
2g
là phản liên kết với các trạng thái p. Píc chính của các dải t
2g

đƣợc xác định chủ yếu là các trạng thái d
yz
và d
zx.
[47]
Trong giản đồ liên kết MO ở Hình 4B, có thể thấy đặc trƣng đáng lƣu ý
trong các trạng thái không liên kết gần dải trống: obitan O p
п
không liên kết ở
đỉnh VB và trạng thái d
xy
không liên kết ở đáy CB. Đặc trƣng tƣơng tự cũng
đƣợc thấy trong rutile; tuy nhiên, không ý nghĩa bằng trong anatase. Trong rutile,
mỗi bát diện chung các góc với 8 bát diện lân cận và chung các cạnh với 2 bát
diện lân cận, tạo thành mạch thẳng. Trong anatase, mỗi bát diện chung các góc
và chung các cạnh với 4 bát diện lân cận, tạo thành mạch zíc zắc. Do đó, rutile
đặc hơn anatase. Anatase có khoảng cách kim loại-kim loại là 5.35A
o
. Kết quả
là, các obitan Ti d
xy

ở đáy của CB hơi tách biệt, trong khi các obitan t
2g
ở đáy CB
trong rutile quyết định bởi tƣơng tác kim loại-kim loại với khoảng cách nhỏ hơn,
2.96 A
o
.[47]
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


21

Cơ chế chính của sự hấp thụ ánh sáng trong bán dẫn TiO
2
tinh khiết là sự
chuyển electron trực tiếp giữa các dải năng lƣợng từ VB lên CB. Khi các hạt
TiO
2
kích thƣớc nm hấp thụ và tƣơng tác với các photon có năng lƣợng lớn
hơn hoặc bằng năng lƣợng dải trống của nó (>3.2 eV), các electron đƣợc kích
thích từ VB lên CB, tạo ra các electron kích thích trong CB và các lỗ trống
trong VB. Các phần tử mang điện tích này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện
phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi
hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành
các gốc tự do hoạt động để tiếp tục oxi hóa các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ
trên bề mặt chất xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO
2
và nƣớc.
Nhiều ứng dụng của vật liệu TiO
2

kích thƣớc nanomet liên quan chặt chẽ
đến các tính chất điện, quang và quang điện của nó. Các tính chất này lại phụ
thuộc vào chính cấu trúc của TiO
2
. Tuy nhiên, ứng dụng hiệu quả cao của vật
liệu TiO
2
kích thƣớc nm đôi khi bị hạn chế bởi độ rộng dải trống của nó. Độ
rộng dải trống của TiO
2
nằm trong vùng UV (3.05 eV đối với pha rutile và
3.25 eV đối với pha anatase), chỉ chiếm phần nhỏ của năng lƣợng mặt trời
(<10%). Do đó, một trong những mục đích của việc cải thiện hiệu suất của vật
liệu TiO
2
kích thƣớc nm là làm tăng khả năng quang xúc tác của chúng nhờ
chuyển từ ánh sáng UV sang vùng nhìn thấy. Có một vài cách để đạt đƣợc
mục đích này.
Thứ nhất, biến tính vật liệu TiO
2
với các nguyên tố khác có thể thu hẹp
độ rộng của vùng cấm E
g
và do đó làm thay đổi tính chất quang.
Thứ hai, làm nhạy TiO
2
bởi các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ có màu có
thể cải thiện tính chất quang của chúng trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Thứ ba, kết nối các dao động chung của các electron trong CB của bề
mặt hạt kim loại kích thƣớc nm với các dao động chung của các electron

Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


22

trong CB của vật liệu TiO
2
kích thƣớc nm trong composit kim loại – TiO
2

kích thƣớc nm. Thêm vào đó, việc biến tính bề mặt TiO
2
với các bán dẫn khác
có thể thay đổi các tính chất chuyển điện tích giữa TiO
2
và môi trƣờng xung
quanh, do đó cải thiện hiệu suất của các thiết bị trên cơ sở vật liệu TiO
2
kích
thƣớc nm.
1.2.4. Tính chất hóa học của TiO
2
TiO
2
trơ về mặt hóa học ( nhất là dạng đã nung), không phản ứng với
các dung dịch axit vô cơ loãng, kiềm, amoniac, các axit hữu cơ. TiO
2
không
tan đáng kể trong dung dịch kiềm [3]. Chúng bị phân hủy ở 2000
0

C, ở nhiệt
độ cao phản ứng với cabonat và oxit kim loại. Do đó, TiO
2
dễ pha tạp các chất
khác vào mạng tinh thể, đặc biệt ở dạng anatase, từ đó tạo ra các tính chất
điện, từ, quang hoàn toàn mới so với cấu trúc ban đầu.
0
2000
2 2 3 2
1
2 88 /
2
C
TiO Ti O O kcal mpl  

2 3 3 2
()TiO MCO MTi O CO  
, M = Ca,Mg, Sr, Ba
23
()TiO MO MTi O 
, M = Pb, Mn, Fe, Co
Titan dioxit bị axit H
2
SO
4
đặc nóng, HF phân hủy
 
100 200
2 2 4 4 2
2

2
o
C
TiO H SO Ti SO H O

  

 
2 2 6 2
62TiO HF H TiF H O  

Titan dioxit bị hiđrô, cacbon monoxit, titan kim loại khử ở nhiệt độ cao.
4
1000 ,
2 2 2 3 2
2
o
C TiCl
TiO H Ti O H O  

1750
2 2 2
o
C
TiO H TiO H O  

800
2 2 3 2
2
o

C
TiO CO Ti O CO  

900 1000
2 2 3
3
o
C
TiO Ti Ti O

 

1400 1500
2
2
o
C
TiO Ti TiO

 

Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


23

1.2.5. Tính chất xúc tác quang hoá của TiO
2
ở dạng anatase
TiO

2
ở dạng Anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh
thể khác, điều này đƣợc giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lƣợng. Nhƣ
chúng ta đã biết, trong cấu trúc của chất rắn có 3 miền năng lƣợng là vùng
hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn. Tất cả các hiện tƣợng hóa học xảy ra đều là do
sự dịch chuyển electron giữa các miền với nhau.
Anatase có năng lƣợng vùng cấm là 3,2eV, tƣơng đƣơng với một lƣợng
tử ánh sáng có bƣớc sóng 388nm. Rutile có năng lƣợng vùng cấm là 3,0 eV
tƣơng đƣơng với một lƣợng tử ánh sáng có bƣớc sóng 413nm. Giản đồ năng
lƣợng của Anatase và Rutile đƣợc chỉ ra nhƣ hình vẽ.
Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile.
Vùng hóa trị của Anatase và Rutile nhƣ chỉ ra trên giản đồ là xấp xỉ
bằng nhau và cũng rất dƣơng, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxy
hóa mạnh. Khi đƣợc kích thích bởi ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp, các
electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ
trống (hole) mang điện tích dƣơng ở vùng hóa trị. Các electron khác có thể
nhảy vào vị trí này để bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trống
mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Nhƣ vậy lỗ trống mang điện tích dƣơng
có thể tự do chuyển động trong vùng hóa trị.

Vùng dẫn

Vùng cấm


Vùng hóa trị
Luận văn Thạc sĩ khoa học Hoàng Thanh Thúy CH Hóa K20


24

Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxy hóa nƣớc
thành OH*, cũng nhƣ một số gốc hữu cơ khác [15]:
 
2 2 2
TiO h H O OH H TiO
  
   

Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nƣớc thành khí hidro (E
o
=
0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một
thế khử mạnh hơn. Nhƣ trên giản đồ anatase có khả năng khử O
2
thành
2
O

, có
nghĩa là ở anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O
2
thành
2
O

.
 
2 2 2 2
TiO e O TiO O


  



Hình 1.6. Sự hình thành các gốc
OH

và
2
O


Chính các gốc
OH

và
2
O

với vai trò quan trọng ngang nhau có khả năng phân
hủy các hợp chất hữu cơ thành H
2
O và CO
2
.
1.2.6. Cơ chế xúc tác quang của TiO
2

Cơ chế xúc tác quang của TiO

2
thể hiện ở Hình 1.7