Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của màng nano TiO2, SiO2 được chế tạo theo phương pháp SOL-GEL trên nền gạch men
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.41 MB, 103 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ DUY ĐẢM
KHẢO SÁT HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
CỦA MÀNG NANO TiO
2
/SiO
2
ĐƯỢC CHẾ TẠO
THEO PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL TRÊN NỀN GẠCH MEN
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đặng Mậu Chiến
Hà Nội - 2009
LUẬN VĂN THẠC SĨ
i
Mục lục
i
iii
iv
v
1
- T 3
2
3
1.1.1. Cấu trúc của vật liệu TiO
2
3
1.1.2. Nguyên lý cơ bản của quang xúc tác. 4
1.1.3. Cơ chế quang xúc tác của TiO
2
. 5
1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng quang xúc tác của TiO
2
7
1.1.5. Chất quang xúc tác TiO
2
cải tiến. 8
1.1.6. Khả năng ứng dụng của TiO
2
trong chế tạo vật liệu tự làm sạch 9
12
1.2.1. Nguyên liệu, phối liệu. 12
1.2.2. Tạo hình. 13
1.2.3. Gia công sản phẩm. 13
ol- 15
1.3.1. Khái niệm. 15
1.3.2. Phân loại các quá trình sol-gel. 16
1.3.3. Quá trình sol-gel đi từ alkoxide. 17
1.3.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân và ngưng tụ. 18
1.3.5. Ưu-khuyết điểm của phương pháp sol-gel. 20
1.3.6. Một số ứng dụng hiện nay của phương pháp sol-gel. 21
1.3.7. Các phương pháp tạo màng từ dung dịch 22
- 26
26
26
2.2.1. Chế tạo các hệ dung dịch TiO
2
/SiO
2
: 26
2.2.2. Bảo quản hệ dung dịch TiO
2
/SiO
2
. 28
2.2.3. Tạo màng mỏng nano TiO
2
. 28
2.3. Ngh 32
2.3.1. Phân tích nhiệt vi sai (DTA). 32
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X. 33
2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). 35
2.3.4. Phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 36
ii
2.3.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). 37
2.3.6. Phương pháp xác định góc thấm ướt. 38
2.3.7. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT- IR). 39
2.3.8. Phương pháp đo phổ truyền qua (UV-Vis). 40
2.3.9. Phương pháp phổ tán xạ Raman. 42
2.3.10. Kiểm tra mức độ diệt khuẩn. 43
2.3.11. Phương pháp đánh giá khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ. 46
- 47
2
/SiO
2
ngo 47
3.1.1. Phổ UV-Vis của các dung dịch TiO
2
/SiO
2
. 48
3.1.2. Khảo sát ảnh TEM của dung dịch TiO
2
/SiO
2
. 50
3.1.3. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của bột TiO
2
/SiO
2
51
3.1.4. Khảo sát các đặc trưng cấu trúc màng nano TiO
2
/SiO
2
58
3.1.5. Đặc trưng cấu trúc bề mặt của màng nano TiO
2
/SiO
2
. 62
3.1.6. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của màng nano TiO
2
/SiO
2
. 64
-TiO
2
/SiO
2
trong vùng ánh
71
3.2.1. Phổ UV-Vis của các hệ dung dịch N-TiO
2
/SiO
2
72
3.2.2. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của bột N-TiO
2
/SiO
2
74
3.2.3. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của màng N-TiO
2
/SiO
2
80
3.2.4. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của màng N-TiO
2
/SiO
2
trong vùng
ánh sáng khả kiến. 85
90
92
iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
A
AFM
Atomic Force Microscope - .
CB
Cặp e
-
-h
+
--hole).
D
DTA
Differential thermal analysis -
eV
Eclectron volt
IR
Infrared spectroscopy -
MB
Methylen Blue.
TEM
Transmission Electron Microscope - Kính hin t
truyn qua.
UV-Vis
Ultraviolet-Visible spectroscopy -
Vlqxt
VB
SEM
Scanning Electron Microscope -
XRD
X-ray diffraction -
o
C
Celsius degree
iv
Danh mục các bảng
:
18
19
2
khác nhau. 47
2
/SiO
2
50
56
72
78
v
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
2
rutile và anatase. 3
5
2
6
7
8
2
9
2
khi
10
Hìn
2
. 10
OH. 11
11
11
-gel. 22
23
23
24
25
Hình 1. 25
2
/SiO
2
. 26
TiO
2
/SiO
2
27
28
2
29
30
30
Hình 2.7: Lò nung Carbolite Model: ELF 11/14B. 31
31
32
32
33
33
35
35
36
37
vi
ronica S.L. 37
38
-20. 38
-IR) Model TensorTM 37. 39
-Vis Model Cary100 Conc. 40
Hình 2.22: (E
g
). 42
43
-112. 44
-HV-100. 44
45
2
/SiO
2
2
.
49
2
/SiO
2
50
-
2
/TiO
2
khác nhau. 51
2
/SiO
2
-30% SiO
2
0
53
- III (15% mol SiO
2
) n
0
54
-III (15% mol SiO
2
0
C - 1100
0
. 55
-III (15% SiO
2
). 58
ính. 59
-III (15% SiO
2
0
60
-III (15% SiO
2
61
2
/SiO
2
( 15%mol SiO
2
) 62
Hình 3
2
/SiO
2
(15%SiO
2
) theo
62
2
/SiO
2
(15%SiO
2
63
64
ác lam kính. 65
2
/SiO
2
(15% SiO
2
)
66
67
67
vii
68
69
-TiO
2
/SiO
2
ng. 72
-SiO
2
/TiO
2
74
-TiO
2
/SiO
2
75
-TiO
2
/SiO
2
76
-TiO
2
/SiO
2
77
-TiO
2
/SiO
2
40%N. 78
-TiO
2
/SiO
2
. 79
-SiO
2
/TiO
2
. 80
dh)
1/2
theo f(h-TiO
2
/SiO
2
81
2
. 82
-TiO
2
/SiO
2
( 40% N). 83
-TiO
2
/SiO
2
84
85
86
87
87
88
89
MỞ ĐẦU
Trang: 1
MỞ ĐẦU
ng
ng chi phí
kính
2
2
2
2
, màng nano TiO
2
TiO
2
2
TiO
2
lên
7,16].
2
không 40
TiO
2
n
MỞ ĐẦU
Trang: 2
ông trình
-
3].
này, màng trên nano TiO
2
-gel, TiO
2
/SiO
2
, N-TiO
2
/SiO
2
-Vis. Hình th
2
t (SEM), k và kính
qua
.
Nội dung chính của luận văn gồm các phần nhƣ sau:
Mở đầu:
2
Chƣơng I
2
TiO
2
/SiO
2
, màng nano N-TiO
2
/SiO
2
trình sol-gel trong
Chƣơng II
nano TiO
2
/SiO
2
và màng nano N-TiO
2
/SiO
2
.
Chƣơng III
nano TiO
2
/SiO
2
và màng nano N-TiO
2
/SiO
2
.
Kết luận
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 3
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu TiO
2
và khả năng ứng dụng.
1.1.1. Cấu trúc của vật liệu TiO
2
.
TiO
2
(titan
nó hai
4+
ion O
2-
.
2
Rutile
Anatase
Ti Ti
2,96 Å
3,79 Å
Ti O
1,949 Å và 1,980 Å
1,934 Å và 1,980 Å
g
)
2
Hình 1.1 [6]
Hình 1.1: Cấu trúc ô mạng tinh thể của TiO
2
rutile và anatase.
2
2
Rutile Anatase
E
g
= 3,0 eV
= 4,250 g/cm
3
E
g
= 3,2 eV
= 3,894 g/cm
3
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 4
2
2
-
mét.
thành O
2
và H
2
2
[7].
2
2
2
- 50 nm).
1.1.2. Nguyên lý cơ bản của quang xúc tác.
p
+ Chu
vùng hóa trị - valance band
vùng dẫn – conduction band
vùng cấm hay khe vùng (Band gap).
CB
e
) và trên vùng
VB
h
).
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 5
Hình 1.2: Cấu trúc vùng năng lƣợng của chất bán dẫn và sự hoạt động của chất
bán dẫn khi đƣợc kích thích quang hóa.
1.1.3. Cơ chế quang xúc tác của TiO
2
.
ngh
-
oxy hoá-
g
+
(D- -
acceptor) (Hình 1.3
NĂNG LƢỢNG
Vù
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 6
Hình 1.3: Quá trình quang hoá với sự kích hoạt của các phân tử TiO
2
A + e
(1.1)
D + h
+
+
(1.2)
+
2
O (1.3)
H
2
O + h
+
+
(1.3)
thành ion super-
2
. Super-
O
2
+ e
O
2
(1.4)
TiO
2
TiO
2
+ h
+
+ e
(1.5)
+
hoá--
. Trong
-
Hình 1.4
Hình 1.4
g
-
-
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 7
-
2
Hình 1.4: Bề rộng khe năng lƣợng của một số chất bán dẫn.
1.1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng quang xúc tác của TiO
2
.
2
a. Diện tích bề mặt hiệu dụng.
2
-
màng TiO
2
2
ng (R
rms
b. Bậc tinh thể.
2
2
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 8
,
Màng TiO
2
-
,
1.1.5. Chất quang xúc tác TiO
2
cải tiến.
2
(Anatase là
2
-
ra khi TiO
2
< 1%) [37
m
2
thu
2
.
Hình 1.5: Phổ năng lƣợng mặt trời.
-
cá-
2
ánh sáng.
-
.
-
TiO
2:
h
E
g
3,2eV
2
)
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 9
2
/SiO
2
và TiO
2
/ SiO
2
màng nano TiO
2
.
1.1.6. Khả năng ứng dụng của TiO
2
trong chế tạo vật liệu tự làm sạch
Quang xúc tác TiO
2
2
th
2
và H
2
O.
Quang
2
2
.
2
Hình 1.6: Những lĩnh vực ứng dụng chính của TiO
2
TiO
2
2
Ti
4+
thành Ti
3+
2-
(Hình 1.7).
2
18,19].
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 10
Hình 1.7: Cơ chế chuyển từ tính kỵ nƣớc sang tính ƣa nƣớc của màng TiO
2
khi
đƣợc chiếu sáng.
0
O
2
2
0
.
2
Sau
2
.
Bước 1
2
tuy nhiên các nhóm
(Hình 1.8).
Hình 1.8: Bề mặt kỵ nƣớc của TiO
2
.
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 11
Bước 2 iO
2
2
, H
2
nhóm (Hình 1.9).
Hình 1.9: Sự phân huỷ các chất hữu cơ làm lộ nhóm –OH.
Bước 3
(Hình1.10).
Hình 1.10: Quá trình hấp phụ vật lý các phân tử nƣớc.
Bước 4
(Hình 1.11).
Hình 1.11: Nƣớc khuếch tán vào trên bề mặt vật liệu.
2
2
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 12
2
2
2
theo tính t
o
C 10
o
2
2
2
2
chúng ta
2
TiO
2
2
2
1.2. Đại cƣơng về gốm sứ.
[4].
1.2.1. Nguyên liệu, phối liệu.
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 13
1.2.2. Tạo hình.
1.2.3. Gia công sản phẩm.
a, Sấy.
b, Phủ men.
Có các phương pháp phủ men trên bề mặt gốm sau:
Tráng men
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 14
Phun men
c, Nung.
Các thông số của chế độ nung:
Nhiệt độ nung
Thời gian nung: là
Môi trường nung
ng
TiO
2
2
2
0
màng TiO
2
2
0
C-1300
0
C, lúc này TiO
2
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 15
2
0
C-600
0
C.
1.3. Lý thuyết về quá trình sol-gel trong chế tạo màng mỏng nano.
-
2
và
2
-
-
-gel
-oxide--O-
1.3.1. Khái niệm.
Sol)
c Van Der
-oxide-
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 16
1.3.2. Phân loại các quá trình sol-gel.
-
- Sol-
- Sol-
- Sol-
a, Quá trình sol-gel đi từ thuỷ phân muối: quá trình sol-
.Fe
2
O
3
.Al
2
O
3
, TiO
2
t
b, Quá trình sol-gel đi từ thuỷ phân phức chất:
c, Quá trình sol-gel đi từ thuỷ phân alkoxide:
quá trình phân ly
-
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
Trang: 17
1.3.3. Quá trình sol-gel đi từ alkoxide.
Quá trình sol-
-gel.
Trong quá trình sol-
a, Phản ứng thủy phân.
--
--hydroxyl.
M(OR)
n
n-x
(OH)
x
+ xROH (1.6)
b, Phản ứng ngƣng tụ.
-oxide-
-oxide-
-oxide-
a)
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OR)
n
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ ROH (1.7)
b)
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OH)(OR)
n-1
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ H
2
O (1.8)
Quá trình sol-gel gồm các giai đoạn chính sau:
i) Tạo dung dịch sol: alkoxide
ii) Gel hóa (gelation):
-O-M)
iii) Định hình (aging):
