Chế tạo và khảo sát tính năng quang xúc tác của màng TiO2

1
Danh sách các từ viết tắt
DC direct current, dòng điện 1 chiều
UV ultr-violet, ánh sáng cực tím
VIS visible, ánh sáng nhìn thấy
I dòng phún xạ (A)
V thế phún xạ (V)
p áp suất khí làm việc (mtorr)
h khoảng cách bia – đế (cm)
d độ dày màng (nm)
2
O
f
tỷ lệ mol khí O
2
/Ar
E. Coli Vi khuẩn Escherichia Coli
AFM atomic force microscope, kính hiển vi nguyên tử lực
XRD X-ray diffraction, nhiễu xạ tia X
2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình I. 1. Cấu trúc tinh thể rutile (a), anatase (b) và brookite (c)
Hình I. 2. Đa diện phối trí của TiO2
Hinh I. 3. Ô cơ sở của anatase và rutile
Hình I. 4. Cơ chế quang xúc tác
Hinh I. 5. Hình ảnh các góc
Hình I. 6. Mô hình các lực trong phương trình Young
Hình I. 7. Cơ chế siêu thấm ướt
Hình I. 8. Kính chống mờ
Hinh I. 9. Khả năng tử làm sạch của màng
Hình I. 10. Các hình thái khác nhau của vi khuẩn

Hình I.11. Hình ảnh phóng đại của E. coli
Hình I. 12. Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn.
Hình I. 13. Mô hình cấu tạo màng tế bào vi khuẩn
Hình I. 14. Công thức cấu tạo photpholipit
Hinh I. 15. Công thức cấu tạo của protein và lipit
Hinh I. 16. Mô hình quá trình diệt khuẩn của màng TiO
2
Hình I.11. Hình ảnh phóng đại của E. coli trong quá trình quang xúc tác
của màng. Những tế bào tổn thương có màu đỏ
Hình I. 18. Anh AFM của các tế bào E. Coli trên bề mặt màng TiO
2

sau các thời lượng chiếu sáng UV khác nhau
HìnhII. 1 Hệ máy phún xạ magnetron tại phòng thí nghiệm vật lý chân không –ĐH
KHTN
Hình II. 2. Bố trí hệ phún xạ trong buồng chân không
Hình II. 3. Cấu trúc bên trong của bơm khuyếch tán dầu
Hình II. 4. Cấu trúc bơm cánh quạt
Hình II. 5. Cấu tạo hệ phún xạ magetron
Hinh II. 6. Hệ magetron trong buồng chân
Hình II. 7. Bố trí nam châm trong hệ magnetron không cân bằng
Hình II. 8. Hệ magnetron cân bằng
Hình II. 9. Hệ magnetron không cân bằng
HìnhIII. 1. Màu xanh của plasma trong quá trình tẩy bia
3
Hình III. 2. Sơ đồ hệ đo góc thấm ướt nước
Hình III. 3. Mô hình tổng quát hệ đo
Hình III. 4. Giao diện dùng để đo góc tiếp xúc nước của phần mềm FTA32
Hình III. 5. Quy trình đo diệt khuẩn
Hình III. 6. Một số dụng cụ thí nghiệm

Hình III. 7. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia
Hình IV. 1. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M11, M10,
Hình IV. 2. Phổ XRD của các mẫu M11, M10, M9 và M8
Hình IV. 3. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng
với I = 0. 3A và p = 13mtorr
Hình IV. 4. Sự thay đổi góc tấm ướt của các mẫu M11, M10, M9, M8, M26 theo thời
gian chiếu sáng
Hình IV. 5. kết quả diệt khuẩn của các màng được chế tao ở điều kiện I = 0. 3A và
p = 13mtorr
Hình IV. 6. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M13, M9, M38
Hình IV. 7. Phổ XRD của các mẫu M13, M9 và M38
Hình IV. 8. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian của các màng
có cùng dộ dày (~346nm)
Hình IV. 9. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M13, M9 và M38
Hình IV. 10. Hình hình ảnh diệt khuẩn của các mẫu M13, M9, M38
Hình IV. 11. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M16, M14, M30, M15 và M25
Hình IV. 12. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng
theo dộ dày
Hình IV. 13. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M16, M14, M30, M15và M25
Hinh IV. 14. Kết quả diệt khuẩn của các màng được chế tao ở điều kiện
I = 0. 3A và p = 9mtorr
Hình IV. 15. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M22, M14, M9
4
Hình IV. 16. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của
các màng có cùng dộ dày (~250nm)
Hình IV. 17. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M22, M14, M19 theo
thời gian chiếu sáng
Hình IV. 18. Hình ảnh diệt khuẩn của các mẫu M22, M14, M19
Hình V. 1. Đế gốm khi đã được cắt nhỏ để có thể phún xạ
Hình V. 2. Đế gốm sau khi được phủ màng

Hình V. 3. Sự thay đổi góc thấm ướt theo thời gan chiếu UV của mẫu số 9 và đế gốm
Hình V. 4. Hình ảnh đo góc thấm ướt theo thời gian của đế gốm
và màng số 9
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng I. 1. Một số tính chất chủ yếu của 3 dạng tinh thể chính của TiO
2
7
Bảng I. 2. So sánh cấu trúc giữa hai trạng thái Anatase và Rutile 8
Bảng III. 1 Bảng số liệu đánh giá sai số 33
Bảng III.2 Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia UV 38
Bảng IV. 1. Thông số chế tạo của màng có độ dày khác nhau ở I = 0. 30A
và p = 13mtorr 41
Bảng IV. 2. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các
màng ở I = 0. 30A và p = 13mtorr 42
Bảng IV. 3. kết quả diệt khuẩn của màng sau 30p chiếu UV
44
Bảng IV. 4. Thông số chế tạo của màng có độ dày khoảng 340nm ở các dòng
phún xạ khác nhau 47
Bảng IV. 5. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các
mẫu có độ dày khoảng 340nm khi p = 13mtorr 49
Bảng IV.6. Kết quả diệt khuẩn sau 30p chiếu UV 51
Bảng IV.7. Thông số chế tạo màng có độ dày khác nhau ở I = 0. 30 A,
p = 9mtorr 52
Bảng IV.8. Kết quả đo góc thấm ướt theothời gian chiếu sáng UV của các màng ở
I = 0. 30A và p = 9mtorr 53
Bảng IV. 9. Kết quả diệt khuẩn sau 30 phút chiếu UV 55
Bảng IV. 10. Thông số chế tạo của màng có độ dày khoảng 250nm ở các
dòng phún xạ khác nhau 57
Bảng 4. 11. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của

các mẫu có độ dày khoảng 250nm khi p = 16mtorr 58
Bảng IV. 12. Kết quả diệt khuẩn sau 30p chiếu UV 60
6
MỤC LỤC
Trang
Danh mục các từ viết tắc.
Danh mục các hình vẽ.
Danh mục các bảng.
MỤC LỤC 1
MỞ ĐẦU 3
PHẦN TỔNG QUAN 5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO
2
6
I. 1. Cấu trúc vật liệu TiO
2
6
I. 2. Tính chất quang xúc tác của màng TiO
2
9
I. 2. 1. Đặc điểm của tính quang xúc tác 9
I. 2. 2. Cơ chế hiện tuợng quang xúc tác 10
I. 3. Các hiệu ứng quang xúc tác của màng TiO
2
11
I. 3. 1. Tính kị ướt và siêu thấm ướt của màng TiO
2
11
I. 3. 2. Cơ chế siêu thấm ướt của màng TiO
2

13
I. 3. 3. Ứng dụng hiện tượng siêu thấm ướt của màng TiO
2
14
I. 3. 4. Tính diệt khuẩn của màng TiO
2
15
I. 4. Các yếu tố ánh hưởng lên tính năng quang xúc tác TiO
2
21
I. 4. 1. Diện tích hiệu dụng bề mặt của màng TiO
2
20
I. 4. 2. Độ kết tinh của tinh thể của màng TiO
2
20
CHƯƠNG II. HỆ TẠO MÀNG 21
II. 1. Hệ phún xạ tạo màng 21
II. 2. Hệ magnetron DC 23
II. 2. 1. Cấu tạo 23
II. 2. 2. Hệ magnetron cân bằng 25
7
II. 2. 3. Hệ magnetron không cân bằng 26
II. 2. 4. Hoạt động 26
PHẦN THỰC NGHIỆM 28
CHƯƠNG III. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 29
III. 1. Quy trình tạo màng 29
III. 2. Quy trình đo góc thấm nước của màng TiO
2
30

III. 3. Quy trình khảo sát tính diệt khuẩn của màng TiO
2
34
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 40
IV. 1. Chế tạo màng ở áp suất phún xạ p = 13mtorr 41
IV. 1. 1 Ảnh hưởng của độ dày màng lên tính chất quang xúc tác 41
IV. 1. 2 Ảnh hưởng của dòng phún xạ lên tính chất quang xúc tác 47
IV. 2 Chế tạo màng ở theo áp suất phún xạ p = 9mtorr 51
IV. 2. 1 Ảnh hưởng của độ dày màng lên tính chất quang xúc tác 51
IV. 2. 2 Ảnh hưởng của dòng phún xạ lên tính chất quang xúc tác 56
IV. 3. Nhận xét về điều kiện tối ưu giữa hai áp suất p = 13mtorr
và p = 9mtorr 62
CHƯƠNG V. BUỚC ĐẦU TẠO MÀNG TRÊN ĐẾ GỐM 63
V. 1. Quy trình tạo màng trên đế gốm: 63
VI. 1. 1. Quy trình xử lý đế và tạo màng 63
VI. 1. 2. Khảo sát tính năng tính năng siêu thấm ướt nước của màng 64
VI. 2. Kết quả của màng trên đề gốm 66
Kết luận và kiến nghị 68
Tài liệu tham khảo
8
MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ đã đưa con người vào
trong một thế giới hiên đại. Song song với sự phát triển đó, không tránh khỏi nhiều tác
hại lớn về môi trường. Môi trường ngày càng trở nên ô nhiễm nghiêm trọng: nồng độ
CO
2,
NO
2
, SO
2

…trong không khí quá lớn gây nên hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng
dần lên, mưa acid…
Do đó, một vấn đề được đặt cho khoa học là phải tìm cách khắc phục tình trạng ô
nhiễm môi trường trả lại bầu không khí trong lành cho thế giới, đưa con người tránh
được những bệnh tật.
Để giải quyết vấn đề môi trường, con người đã có nhiều giải pháp tích cực và có
hiệu quả. Trong số đó, giải pháp sử dụng các loại vật liệu quang xúc tác đã được nhiều
nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây.
Trong rất nhiều loại vật liệu có tính năng quang xúc tác như ZnO, Ta
2
O
5
, ZrO
2
,
TiO
2
, , vật liệu titandioxide (TiO
2
) cho thấy có triển vọng, ứng dụng hiệu quả nhất
nhờ khả năng ôxy hóa mạnh, tính trơ hóa học, tính thân thiện với môi trường, khả năng
hoạt hóa cao, độ ổn định lớn khi chiếu sáng, giá rẻ, không độc
Chính vì vậy mà TiO
2
thu thút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khắp nơi
trên thế giới và được ứng dụng rộng rãi để :
• Xử lý và làm sạch môi trường nước, không khí
• Diệt virus, vi khuẩn và nấm mốc
• Trong công nghiệp: sơn, thực phẩm, chế tạo pin mặt trời, …
• Chế tạo kính chống đọng sương và tự làm sạch

Và ở đây với một đề tài tốt nghiệp chúng tôi cũng muốn làm rõ hơn tính năng ưu
việt của TiO
2
thông qua viêc chế tạo và khảo sát tính năng quang xúc tác của màng
9
TiO
2.
Tính chất quang xúc tác được khảo sát dựa vào 2 tính chất quan trọng đó là: khả
năng siêu dính ướt và khả năng diệt khuẩn của màng TiO
2.
Màng ở đây được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Chế tạo màng
bằng phương pháp phún xạ magnetron DC có thể được chia ra làm hai loại: phún xạ
magnetron cân bằng, phún xạ magnetron không cân bằng.
Với hệ phún xạ magnetron cân bằng thì màng sau khi được chế tạo thường ở cấu
trúc vô định hình, màng phải qua nung nhiệt mới có thể đạt được cấu trúc anatase.
Với hệ phún xạ magnetron không cân bằng thì có một bước đột phá, màng đạt được
cấu trúc anatase ngay trong quá trình chế tạo.
Theo một số đề tài nghiên cứu cùng phòng thí nghiệm trước đây cho thấy với hệ
phún xạ magnetron không cân bằng B = 550 Gauss, công suất phún xạ tối đa trong
khoảng 225W – 252W. Màng đã cho được tính năng quang xúc tác tốt. Với độ không
cân bằng lớn, nhiệt độ đế sau khi phủ màng có nhiệt độ khá lớn.
Kế thừa những thành quả nghiên cứu đó, chúng tôi đã phát triển thêm về công nghệ
phún xạ magnetron không cân bằng. Bằng cách tăng khả năng không cân bằng của hệ
phún xạ, chúng tôi giảm từ trường xuống còn 300 Gauss. Sự thay đổi này đã cho thấy
có sự khác biệt: nhiệt độ tinh thể hóa trong quá trình chế tạo giảm xuống nhờ vậy màng
có nhiều triển vọng ứng dụng chế tạo trên đế chịu nhiệt kém như giấy, polyme
10
PHẦN TỔNG
QUAN
11

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
I. 1. VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO
2.
Titandioxide TiO2 là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của
chúng ta. Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu men, mỹ
phẩm và cả trong thực phẩm. Lượng TiO2 được tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 3 triệu
tấn. Ngày nay TiO2 còn được biết đến trong vai trò của một chất quang xúc tác.
I. 1. 1. Cấu trúc của vật liệu TiO
2
.
TiO
2
kết tinh ở 3 dạng khác biệt: anatase, rutile và brookite. Nó cũng tồn tại ở
trạng thái vô định hình.
Trong mô hình cấu trúc (hình I. 1): mỗi khối hình thoi trên bao gồm một nguyên tử
Ti và 6 nguyên tử oxy định trên các đỉnh của một bát diện

12
Hình I. 1. Cấu trúc tinh thể rutile (a), anatase (b) và brookite (c)
(a)
(b)
(c)
Hình I. 2. Đa diện phối trí của TiO2
Bảng I. 1. Một số tính chất chủ yếu của 3 dạng tinh thể chính của TiO
2
(anatase,
rutile và brookite)
Cấu trúc tinh thể Trật tự Nhóm không gian Hằng số mạng tinh thể
a b c c/a
Rutile Hình tứ giác

14
4 2
4 /
h
D P mmm−
0. 4584 _ 0. 2953 0. 644
Anatase Hình tứ giác
19
4 1
4 /
h
D I amd−
0. 3733 _ 0. 937 2. 51
Brookite Hình hộp mặt thoi
15
2h
D Pbca−
0. 5436 0. 9166 _ 0. 944
Mật độ (kg/m
3
)
Rutile 4240
Anatase 3830
Brookite 4170
trung bình
Năng lượng vùng cấm(eV)
Rutile 3. 05
Anatase 3. 26
Chiết suất n
g

n
p
Rutile 2. 9467 2. 6506
Anatase 2. 5688 2. 6584
Brookite 2. 809 2. 677
Trong 3 dạng tinh thể chính: anatase, rutile và brookite thì Brookite có dạng thù
hình trực thoi, được tạo thành màng mỏng chỉ ở điều kiện thủy nhiệt đặc biệt hay có
mặt của một lượng natri xác định. Cấu trúc này có thể được tạo nên bằng phương pháp
sol-gel trên đế thủy tinh kiềm.
13
Chính vì vậy ở đây ta chỉ đi sâu về 2 tinh thể anatase và rutile
Bảng I. 2. So sánh cấu trúc giữa hai trạng thái Anatase và Rutile
Hằng số
mạng a
Hằng số
mạng b
Hằng số
mạng c
Eg
(eV)
ρ
(
3
/g cm
)
o
f
G∆
(kcal/mol)
ε

Anatase 3, 785 Å 3, 785 Å 9. 515 Å 3. 2 3. 895 -211. 4 30-40
Rutile 4, 593Å 4, 593Å 1. 946 Å 3. 1 4. 274 -212. 6 170-90
Cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutile thuộc hệ tinh thể tetragonal. Mạng tinh
thể rutile TiO
2
thuộc nhóm đối xứng không gian P42/mmm, trong khi anatase thuộc
nhóm I41/amd. Thể tích của ô cơ sở rutile bằng 62. 07
o
A
3
còn của ô cơ sở anatase bằng
136. 25
o
A
3
. Nhiệt độ để chuyển pha từ cấu trúc vô định hình sang anatase là 500
o
C –
600
o
C và từ anatase sang rutile là 800
o
C – 900
o
C
14
Hinh I. 3. Ô cơ sở của anatase và rutile
Cả 2 cấu trúc tinh thể anatas và rutile đều được sử dụng làm các chất quang xúc tác,
quang hóa nhưng anatase được chỉ ra là có tính quang xúc tác hơn hẳn trong hầu hết
các phản ứng. Có những giả thiết cho là hoạt động quang xúc tác của anatase cao hơn

là do mức Fermi của anatase cao hơn, khả năng hấp thu oxy cao hơn và bậc hydroxyl
cao hơn. Có nhiều nghiên cứu cho thấy hợp chất của anatase (70%-75%) + rutile (30%-
25%) thì hoạt động tốt hơn anatase nguyên chất.
Cấu trúc anatase biến đổi không thuân nghịch sang rutile bằng cách gia tăng nhiệt
độ(khoảng 915độC)
I. 2. TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC TRÊN MÀNG TiO
2
.

Quang xúc tác trên màng TiO
2
là hiện tượng phân hủy hợp chất hữu cơ thành CO
2
và H
2
O hoặc gây nên sự siêu thấm ướt bề mặt dựa vào cặp điện tử lổ trống sinh ra
trong chất bán dẫn khi được kích thích bởi ánh sáng thích hợp
I. 2. 1. Đặc điểm của tính quang xúc tác.
Phương pháp quang xúc tác đã được coi là một phương pháp hiệu quả trong việc
loại bỏ các chất hữu cơ độc hại góp phần làm sạch môi trường sống bởi các thuận lợi
sau:
 Hiệu suất phân hủy cao tại nhiệt độ phòng
 Không cần các chất phụ gia hóa học
 Hiệu suất lượng tử cao đối với các tác chất ở thể khí
 Oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thành CO
2
và H
2
O
 Xúc tác không đắt tiền, không độc hại

 Chất xúc tác quang có thể được tái tạo cho việc tái sử dụng
 Xử lý được nhiều hợp chất hữu cơ
 Hiệu quả cho các chất ô nhiễm ở nồng độ thấp
 Xảy ra được trong môi trường ẩm
 Tính xúc tác không mất đi bởi các chất hữu cơ có chứa Clo.

15
I. 2. 2 Cơ chế của hiện tượng quang xúc tác.
Cơ chế tổng quát của phản ứng quang xúc tác trên bán dẫn TiO
2
có thể giải thích
bằng hình I. 4.
Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, TiO
2
sẽ bứt một điện tử từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn. Quá trình kích thích này sẽ sản sinh một điện tử trong vùng
dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa trị.
Cặp điện tử_lỗ trống này sẽ dịch chuyển ra bề mặt, ở đó lỗ trống (h
+
) sẽ tác dụng
với phân tử nước hấp thụ (hay anion OH
-
) tạo ra gốc tự do hydroxyl có tính oxy hóa rất
mạnh (E = 3. 06 eV). Electron trên vùng dẫn sẽ khử oxi hấp thụ tạo thành anion gốc tự
do superoxide.
Hình I. 4. Các quá trình chính xuất hiện trên hạt bán dẫn: (E) sự tạo
thành cặp electron- lỗ trống; (D) sự oxi hóa donor (D); (C) sự khử
aceptor(A); và (B) sự tái kết hợp cặp electron-lỗ trống lần lượt tại
16
Ta có:

2
2( ) 2
2 ( )
− +
+ → +
− −
+ →
+ +
+ → +
g
g
TiO h e h
O e O
ads CB
H O h H OH
ads VB
υ
Chính các gốc hydroxyl và superoxide có khả năng ôxy-hóa các chất hữu cơ.
I. 3. HIỆU ỨNG QUANG XÚC TÁC CỦA MÀNG TiO
2.
Hiệu ứng quang xúc tác của màng TiO
2
ở đây

được khảo sát thông qua khả năng tự
làm sạch và diệt khuẩn dựa trên tính siêu thấm ướt và phản ứng phân hủy hữu cơ của
màng TiO
2.
I. 3. 1. Tính kị ướt và siêu thấm ướt nước của màng TiO
2.

Khi ta nhỏ một giọt nước lên một bề mặt màng thì xảy ra hiện tượng:
• Giọt nước loang ra trên bề mặt, đó là hiện tượng bề mặt thấm ướt, góc tiếp xúc < 90
độ (nếu góc tiếp xúc nhỏ hơn 10
o
thì được gọi là sự siêu thấm ướt).
• Giọt nước không loang ra bề mặt, đó là hiện tượng không thấm ướt hay kỵ ướt, khi
góc tiếp xúc > 90
o
.
Hinh I. 5. Hình ảnh các góc
thấm ướt
Hình I. 6. Mô hình các lực trong phương trình Young
17
Hiện tượng thấm ướt hay kỵ nước được giải thích như sau:
Từ phương trình Young:
γ
S
= γ
SL

+
γ
L
. cosθ (N/m. ) ( 1 )
Với: γ
S
là năng lượng tự do bề mặt vật rắn

γ
L

là năng lượng tự do bề mặt chất lỏng
γ
SL
là năng lượng tự do của mặt phân cách rắn, lỏng.
Năng lượng tự do bề mặt (J/m
2
) = Sức căng bề mặt (N/m
2
).
Hơn nữa γ
SL
được tính gần đúng bằng cách sử dụng phương trình Girifalco-Good
với γ
S,
γ
L
, ta được phương trình sau:
γ
SL =
γ
S +
γ
L –
Ф. (

)
1/2
( 2 )
Với

Ф

là thông số hằng có giá trị từ 0, 6 đến 1, 1 phụ thuộc vào chất rắn, γ
L
là năng
lượng tự do bề mặt của nước, nó là hằng số và có giá trị là 74 mJ/m
2
.
Biến đổi phương trình (1. 4) và (1. 5), ta được:
(1) = > cosθ = (3)
Thế (2) vào (3) ta được:
Cosθ = – (4)
Rút gọn biểu thức (4), ta được:
Cosθ = (5)
18
Đặt C = ( Vì Ф
,
γ
L
là các hằng số)
Cuối cùng, ta được công thức sau:
Cosθ = C. , Với C là hằng số (6)
Phương trình (6) này cho ta thấy góc ướt giảm khi năng lượng bề mặt γ
S
tăng. Kết
quả cho thấy rằng trạng thái siêu thấm ướt (θ<10 độ)đạt được bởi sự hình thành một
vài trạng thái với năng lượng bề mặt lớn khi chiếu ánh sáng UV với màng TiO
2.
Mà
năng lượng này phụ thuộc số electron ra bề mặt trong quá trình quang xúc. Mà số

electron ra bè mặt phụ thuộc vào độ ghồ ghề và độ tinh thể của màng.
Do đó, độ gồ ghề bề mặt và độ tinh thể là hai yếu tố quan trọng nhất của sự quang
xúc tác của màng
I. 3. 2. Cơ chế quang siêu thấm ướt nước của màng TiO
2
.
Hiện tượng biến đổi từ trạng
thái kị ướt sang siêu thấm ướt của
màng TiO2 có thể được giải thích
như sau:
Khác với bên trong khối, trên
bề mặt màng TiO
2
mỗi anion O
2-
không liên kết
với đủ ba cation Ti
4+
. Các
anion O
2-
trên bề mặt màng liên
kết với hai cation Ti
4+
được gọi là
các hạt O bắc cầu. Do không được liên kết đầy đủ với ba cation Ti
4+
như trong khối nên
các hạt O bắc cầu trên bề mặt màng ở trạng thái liên kết kém bền.

Khi màng TiO2 được kích thích bởi nguồn sáng ánh sáng UV sẽ có sự dịch chuyển
điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn làm xuất hiện đồng thời cặp điện tử
(e-) và lỗ trống (h+) ở vùng dẫn và vùn hóa trị
19
Hình I. 7. Cơ chế siêu thấm ướt
TiO
2
+ hv >
e
−
+
h
+
Những cặp điện tử và lỗ trống này sẽ dịch chuyển tới bề mặt đẻ thực hiện các phản
ứng oxi hóa
 ở vùng hóa dẫn :xảy ra sự khử
4
Ti
+
về
3
Ti
+
:
4 3
e Ti Ti
− + +
+ →
 ở vùng hóa trị : xảy ra sự oxy hóa
2

O
−
thành O2:
2
2
4 2h O O
+ −
+ → ↑
Hiện tượng này chỉ xảy ra với các phân tử bề mặt, cứ 4 phân tử TiO2 lại giải phóng
một phân tử oxy, hình thành trên bề mặt một mạng lưới các lỗ trống.
Khi có nước trên bề mặt, các phân tử nước nhanh chóng chiếm chỗ các chỗ trống
(chỗ khuyết oxy), mỗi phân tử chiếm một chỗ trống bằng chính nguyên tử oxy của nó
và quay hai nguyên tử hyđro ra ngoài, và bề mặt ngoài lúc này hình thành một mạng
lưới hydro
Chúng ta biết rằng sở dĩ chất lỏng có hình dạng của bình chứa là do lực liên kết giữa
các phân tử chất lỏng yếu hơn giữa các phân tử chất rắn. Phân tử nước là phân tử phân
cực với phần tích điện âm là nguyên tử oxy và phần tích điện dương là nguyên tử
hydro. Giữa các phân tử nước có liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử oxy và
nguyên tử hydro. Như vậy nhờ chính lực liên kết hydro giữa lớp "ion hydro bề mặt" và
các "ion oxy" của nước mà giọt nước được kéo mỏng ra, tạo lên hiện tượng siêu thấm
ướt
I. 3. 3. Ứng dụng của hiên tượng siêu thấm ướt.
Hiên tượng siêu dính ướt
được ứng dụng chống mờ và tự
làm sạch trên các tấm kính
được phủ TiO2. Hiên tượng
này được ứng dụng nhiều đối
với các loại kính cho xe ôtô hay
kính cho các tòa nhà cao ốc
Khi các tấm bị bám bẩn bởi

các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ
do sự ô nhiễm môi trường.
Dưới tác dụng của ánh sáng tử
ngoại kích thích phản ứng
20
Hình I. 8. Kính chống mờ
quang hoá trong lớp TiO
2
. Khi nước rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước. Nước
trải đều ra bề mặt tạo thành một màng mỏng, màng mỏng nước này không những
chống mờ kính mà còn cuốn theo chất bẩn đi xuống.
I. 3. 4. Tính diệt khuẩn của màng TiO
2
.
Vi khuẩn phân bố ở khắp
mọi nơi trên trái đất. Chúng
có mặt trên cơ thể người,
động vật, thực vật, trong
đất, trong nước, trong
không khí, trên mọi đồ
dùng, vật liệu, từ biển khơi
đến núi cao, từ nước ngọt,
nước ngầm cho đến nước
biển
Vi khuẩn là nhóm vi
sinh vật có cấu tạo tế bào
nhưng chưa có cấu trúc
nhân phức tạp. Nhân tế bào
Hinh I. 9. Khả năng tử làm sạch của màng
21

Hình I. 10. Các hình thái khác nhau của vi khuẩn
chỉ gồm một chuỗi AND không có thành phần protein không có màng nhân. Vi khuẩn
có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi
(Hình I. 10).
 Cấu tạo của vi khuẩn.
Vi khuẩn vô cùng phong phú cả về thành phần, số lượng, hình dạng, kích thước.
Nhìn chung vi khuẩn được cấu tạo gồm 5 bộ phận chính là: thành tế bào, màng tế bào
chất, tế bào chất và thể nhân (hình I.17)

Trong đó màng tế bào (bao gồm thành tế bào và màng tế bào chất) có tác dụng duy
trì áp suất thẩm thấu của tế bào, đảm bảo việc chủ động tích luỹ chất dinh dưỡng và
thải các sản phẩm trao đổi chất ra khỏi tế bào. Màng tế bào chất còn là nơi tiến hành
quá trình hô hấp. Vì vậy nó có vai trò quan trọng đối với vi khuẩn trong viêc sinh tồn.
Khi màng tế bào bị phá hủy thì vi khuẩn sẽ chết.
Hình I.11. Hình ảnh phóng đại của E. coli
trong quá trình quang xúc tác của màng.
Những tế bào tổn thương có màu đỏ
Hình I. 10: khuẩn e. coli và cấu tạo khuẩn e.
coli
22
Cấu tạo màng tế bào vikhuẩn:
Màng tế bào được cấu tạo từ hai thành phần chính là : protein và photpholipit
Hình I. 12. Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn.
Hình I. 13. Mô hình cấu tạo màng tế bào vi khuẩn.
23
 Cơ chế diệt khuẩn.
Protein và photpholipit trong cấu tạo màng tế bào có độ linh động cao dễ dàng bị bẽ
gãy và phân hủy khi tiếp xúc với các tác nhân oxy hóa – khử mạnh như gốc hydroxyl
Hình I. 14. Công thức cấu tạo photpholipit
24

Hinh I. 15. Công thức cấu tạo của protein và lipit
•OH và gốc superoxide •O
2
được sinh ra trong quá trình quang xúc tác. Đây nguyên
nhân đưa đến khả năng diệt khuẩn của màng TiO
2
.
Quá trình diệt khuẩn có thể được đơn giản theo mô hình sau:
Trong quá trình quang xúc tác, các gốc hydroxyl và superoxide sẽ phá hủy màng tế
bào của vi khuẩn, làm cho tế bào chất vỡ ra và cuối cùng thì vi khuẩn bị chết và bị
phân hủy
Theo một số nghiên cứu cho thấy dưới tác dụng của quang xúc tác, màng vi khuẩn
bắt đầu có sự thay đổi, chúng chuyển sang mầu đỏ (hình I. 17) sau đó màng tế bào sẽ bị
phân hủy, cuối cùng vi khuẩn bị tiêu diệt và tan biến (hình I. 18).
25
Hinh I. 16. Mô hình quá trình diệt khuẩn của màng TiO
2