NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP TiO2CNTs LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
----------------

NGUYỄN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CẤU TRÚC
CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP TiO2/CNTs
Chuyên ngành : Vật lý chất rắn
Mã số
: 60.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Minh Thủy
2. TS Nguyễn Cao Khang

Hà Nội – 2015
1


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.
Nguyễn Minh Thủy và TS. Nguyễn Cao Khang, những người thầy luôn tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ và dành những điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi
thực hiện luận văn này. Với tôi, các thầy cô luôn là những nhà khoa học mẫu mực,
là tấm gương sáng để tôi học tập, phấn đấu và noi theo trong công việc cũng như
trong cuộc sống.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô giáo và các
cán bộ của khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội đã trang bị kiến thức, chia
sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực
hiện luận văn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các anh chị nghiên cứu sinh, các bạn học viên cao
học, các em sinh viên từng học tập, nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học và Công
nghệ Nano, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, những người luôn chia sẻ kinh
nghiệm và đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm.
Sau cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hương

2


MỤC LỤC

3


MỞ ĐẦU
Titan oxit(TiO2)là một trong những vật liệu có ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực vì khả năng oxi hóa khử cao, ổn định, không độc hại và sẵn có. Vì vậy
TiO2 đang được quan tâm nghiên cứu và có nhiều triển vọng trong công nghệ môi
trường đặc biệt là việc xử lý ô nhiễm môi trường nước và không khí. Tuy nhiên do
có dải cấm rộng (3,2 eV với pha anatase) [7], TiO 2 gần như chỉ hấp thụ bức xạ trong
vùng tử ngoại. Đây là một hạn chế lớn vì không quá 5% năng lượng bức xạ mặt trời
chiếu xuống trái đất thuộc vùng tử ngoại. Mặt khác, ở chất bán dẫn đa tinh thể có
kích thước hạt lớn, các cặp điện tử - lỗ trống sinh ra khi TiO 2 được chiếu sáng có
khuynh hướng dễ tái hợp trở lại, dẫn đến hiệu suất lượng tử thấp [4]. Mong muốn

tạo ra được hợp chất quang xúc tác hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến đã trở
thành xu thế mới nhằm khai thác nguồn năng lượng mặt trời. Tiếp theo những
nghiên cứu về vật liệu TiO2 nano, vật liệu TiO2 pha tạp các nguyên tố kim loại và
phi kim đã được nghiên cứu với mục đích làm giảm bề rộng vùng cấm.Những
nghiên cứu này chỉ ra rằng khi pha tạp kim loại chuyển tiếp vào TiO 2 không những
làm giảm bề rộng dải cấm mà còn làm tăng khả năng bắt giữ điện tử, điều này làm
tăng hiệu quả quang xúc tác của TiO 2[6,23]nhưng đồng thời lại dẫn đến hạn chế về
tính chất không ổn định nhiệt, tăng bẫy hạt tải và có sự kết đám của các tạp chất.
Bên cạnh các nghiên cứu về vật liệu TiO 2 pha tạp thì vật liệu TiO2 tổ hợp
cũng được nghiên cứu với mục đích làm giảm bề rộng vùng cấm và giảm khả năng
tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống[26]. Trong đó vật liệu tổ hợp TiO 2/CNTs thu hút
được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây, các kết quả cho thấy hiệu suất
quang xúc tác của vật liệu được tăng lên nhiều so với TiO 2 tinh khiết [26,13,34,29].
Điều này được giải thích là do ống nano cacbon (carbon nanotube CNTs) có diện
tích bề mặt lớn, tính dẫn điện tốt và độ bền hóa học cao. Vì thế nó có khả năng
truyền điện tích vào bên trongống nano cacbon và làm giảm khả năng tái hợp của
cặp điện tử - lỗ trống [13,15,26,31].
Mặt khác hiện nay, vật liệu TiO 2/CNTs được chế tạo bằng nhiều phương
pháp khác nhau tùy thuộc vào các nhóm nghiên cứu.Việc chế tạo theo các công
4


nghệ khác nhau dẫn đến việc nghiên cứu tính chất vật liệu không thực sự thống
nhất, vì tính chất của mẫu phụ thuộc vào quy trình chế tạo. Một trong những điểm
cần chú ý là quá trình hoạt hóa CNTs trước khi tổ hợp với TiO 2. Hiện nay có rất
nhiều phương pháp hoạt hóa khác nhau sử dụng chất hoạt hóa cũng như dung môi
và chất tạo gel khác nhau dẫn đến cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp được
cũng khác nhau. Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp hoạt hóa
khác nhau lên vật liệu là cần thiết. Trong đề tài này,chúng tôi nghiên cứu công nghệ
chế tạo ảnh hưởng lên cấu trúc cũng như tính chất của vật liệu TiO 2/CNTs, đồng

thời xem xét ảnh hưởng của bề mặt CNTs đến hoạt tính xúc tác quang hóa của các
hạt nano TiO2 trên CNTs. Từ đó tôi chọn đề tài“Nghiên cứu công nghệ và cấu trúc
của vật liệu tổ hợp TiO2/CNTs”.
Mục tiêu của luận văn:
-

Chế tạo thành công hệ vật liệu tổ hợp TiO 2/CNTs bằng phương pháp hóa

-

lý.
Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện hoạt hóa CNT lên cấu trúc, tính

-

chất quang của hệ vật liệu tổ hợp
Khảo sát tính chất quang xúc tác của hệ vật liệu tổ hợp trong vùng ánh

-

sáng nhìn thấy, tìm điều kiện công nghệ tốt nhất.
Phân tích PDOS, DOS của các nguyên tử C trong cấu trúc cluster
(TiO2)n/CNTs với n=3, nhằm làm rõ cơ chế quang xúc tác của hệ vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực
nghiệm và có sử dụng phần mềm tính toán để hỗ trợ phân tích tính chất của vật liệu
tổ hợp TiO2/CNTs

5

Bố cục của luận văn: Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục
luận văn gồm có 3 chương:
-

Chương I: Tổng quan
Trình bày tổng quan về cấu trúc, tính chất vật lý, tính chất quang, hoạt

-

tính quang xúc tác của hệ vật liệu TiO2/CNTs
Chương II: Thực nghiệm và tính toán
Trình bày các phương pháp tổ hợp vật liệu TiO 2/CNTs khác nhau, các kỹ

-

thuật khảo sát mẫu và quy trình xử lý quang xúc tác
Chương III: Kết quả và thảo luận
Trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo vật
liệu lên cấu trúc, tính chất quang của vật liệu, kết quả xử lý quang xúc tác
của các mẫu chế tạo được và kết quả tính toán mô phỏng hệ CNT tổ hợp
cluster (TiO2)n với n =3, 4.

6


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất quang của vật liệu TiO2
1.1.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu
Titan (Ti) là kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần

hoàn Mendeleep, có nguyên tử khối là 47,88 (đvC), bán kính nguyên tử là 1.45 A 0
và cấu hình electron là [Ar]3d 24s2. Trong các hợp chất, trạng thái oxi hóa đặc trưng
của Ti là

+4

vì Ti+4 có cấu hình electron bền của khí trơ [Ar]. Đây cũng là lý do mà

trong tự nhiên titan tồn tại chủ yếu ở trạng thái Ti +4. Titan bền vững ở nhiệt độ
thường, còn ở nhiệt độ cao nó phản ứng mạnh với oxi theo phương trình:
Ti + O2→ TiO2

(1.1)

TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản là anatase, rutile và brookite,
trong đó hai dạng được ứng dụng nhiều hơn là anatase và rutile.
Trong ô cơ sở của tinh thể rutile có 2 ion Ti +4 và 4 ion O2-. Các bát diện oxit
titan sắp xếp thành các chuỗi đối xứng bậc 4 với cạnh chung nhau, mỗi bát diện tiếp
giáp với 10 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 6 bát diện chung góc). Trong
ô cơ sở của anatase có 4 ion Ti +4 và 7 ion O2-. Mỗi bát diện tiếp giáp với 8 bát diện
lân cận (4 bát diện chung cạnh và 4 bát diện chung góc). Như vậy tinh thể anatase
khuyết nhiều oxi hơn tinh thể rutile. Điều này ảnh hưởng tới một số tính chất vật lý
của TiO2 ở các dạng thù hình khác nhau vì các nút khuyết oxi đóng vai trò như tạp
chất donor.
Sự khác nhau trong cấu trúc mạng TiO2 này là nguyên nhân chính dẫn đến sự
khác nhau về cấu trúc dải năng lượng giữa pha anatase và rutile. Sự sắp xếp các
nguyên tử Ti vàO trong cấu trúc tinh thể của TiO 2 anatase, TiO2 rutile và TiO2
brookite được minh họa trên hình 1.1.
Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể TiO 2 ở pha anatase (3,79 A0 và 3,04 A0) lớn
hơn trong pha rutile (3,57 A0 và 2,96 A0), còn khoảng cách Ti-O ở pha anatase

(1,394 A0 và 1,98 A0) thì nhỏ hơn trong pha rutile (1,949 A 0 và 1,98 A0). Đây cũng
là lý do ảnh hưởng tới cấu trúc điện tử, cấu trúc vùng năng lượng của 2 pha này và
kéo theo sự khác nhau về tính chất vật lý, hóa học của vật liệu.
7


Hình 1.1Cấu trúc tinh thể TiO2 pha rutile (a), pha anatase (b) và pha brookite (c).
Theo nhiệt độ, cấu trúc của TiO2 chuyển dần từ trạng thái vô định hình sang
pha anatase rồi đến pha rutile. Pha anatase chiếm ưu thế khi nung ở nhiệt độ thấp
(từ 3000C → 7000C), khi tăng nhiệt độ lên (từ 700 0 C→ 9000C) pha anatase chuyển
sang pha rutile, còn ở nhiệt độ cao hơn (trên 9000 C), pha rutile sẽ chuyển thành pha
brookite. TiO2 là hợp chất bền về mặt hóa học, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, TiO 2 sẽ
nóng chảy ở nhiệt độ 18860 C. Ở điều kiện thường,TiO2 không phản ứng với nước,
dung dịch axit vô cơ loãng, kiềm, amoniac hay các axit hữu cơ. Các thông số vật lý
cơ bản của các pha tinh thể anatase, rutile, brookite của TiO 2 trong bảng 1.1.
Có nhiều phương pháp chế tạo bột TiO 2 như đốt cháy kim loại Ti trong O 2
hoặc nung nóng hidroxyt titan ở nhiệt độ cao theo các phương trình:
Ti + O2 → TiO2

(1.2)

Ti(OH)4 → TiO2 + 2H2O

(1.3)

4Ti(OH)3 + O2→ 4TiO2+ 6H2O

(1.4)

Trong công nghiệp, TiO 2 được chế tạo bằng cách đốt cháy TiCl 4 từ 9000 C

đến 10000 C theo phương trình:
TiCl4 + O2 →TiO2 + 2Cl2↑

8

(1.5)


Bảng 1.1Các thông số vật lý của TiO2 pha anatase, rutile, brookite
Tính chất
Khối lượng phân tử
(đvC)
Cấu trúc tính thể
Nhóm đối xứng
không gian
Hằng số mạng a
Hằng số mạng b
Hằng số mạng c
Khối lượng riêng
(g/cm3)
Độ rộng dải cấm
(eV)
Góc O-Ti-O (độ)
Độ dài liên kết Ti-O
(A0)

Anatase

Rutile

Brookite

79,890

79,890

79,890

Tetragonal

Tetragonal

Orthorhombic

D144h- P42/mnm

D194h- P41/amd

D152h- Pbac

3,782
3,782
9,502

4,584
4,584
2,953

5,436
9,166

5,135

3,830

4,240

4,170

3,2

3,1

3,5

81,2

77,7

77 – 105

1,95

1,94

1,87 -2,04

1.1.2 Phổ hấp thụ và tính chất quang của TiO2
Bán dẫn TiO2 có vùng hóa trị đã được điền đầy electron, vùng dẫn hoàn toàn
trống. Nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm không có mức năng lượng
nào. Bề rộng vùng cấm của TiO2 pha anatase là 3,2 eV và pha rutile là 3,0 eV, do đó

đều chỉ hấp thụ bức xạ trong vùng tử ngoại (từ 382 nm).
Đối với ánh sáng khả kiến thì TiO2 cho truyền qua khoảng 62 – 86% tùy vào
bước sóng khác nhau. Kích thước hạt giảm xuống nanomet sẽ làm cho bề rộng vùng
cấm tăng, bờ hấp thụ sẽ dịch về phía bước sóng ngắn. Hình 1.2 cho thấy sự khác
nhau giữa phổ hấp thụ của TiO2 dạng nano và dạng khối [19].

9


Hình 1.2Phổ hấp thụ của mẫu TiO2 dạng nano và dạng khối [19].
TiO2 pha anatase thuộc nhóm không gian D4h19. Số phân tử trong ô Bravais là 2.
Nhóm không gian D4h19 gồm các nhóm con: 2D2h(2); 2C2h (4); C2v(4); 2C2(8) và
C1(16)
Chỉ số Wyckoff của Ti là (a), của oxi là (e). Từ tính toán bằng phương pháp tương
quan ta thu được các biểu diễn bất khả quy

Γcryst = A1g + 2 B1g + 3Eg + A2u + B2u + 2 Eu
(1.6)
Như vậy với tinh thể TiO2 anatase ta có:
-

Các mode tích cực Raman: 1A1g, 2B1g và 3Eg
Các mode tích cực hồng ngoại: 2Au, 2Eu
Các mode tích cực Raman lẫn hồng ngoại: B2u

Phổ tán xạ Raman của mẫu TiO 2 pha anatase dạng nano và dạng khối được
xác định bằng thực nghiệm của nhóm Gonzalez như hình 1.3 [14]

10

Hình 1.3Phổ tán xạ Raman của TiO2 anatase dạng nano và dạng khối [14]
1.1.3 Cơ chế quang xúc tác
Chất xúc tác là chất tham gia vào các quá trình trung gian và làm thay đổi
năng lượng hoạt hóa của các quá trình, dẫn đến làm thay đổi tốc độ phản ứng. Xúc
tác quang là một loại xúc tác đặc biệt đã và đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà
khoa học trên thế giới. Thuật ngữ quang xúc tác đã được dùng từ những năm 1920
thường được các nhà khoa học nhắc đến trong một số lĩnh vực xử lý môi trường,
làm sạch môi trường. Quang xúc tác có nghĩa là sử dụng vật liệu có tính xúc tác kết
hợp với yếu tố ánh sáng. Như vậy, phản ứng quang xúc tác chỉ xảy ra khi có hai yếu
tố: vật liệu có tính xúc tác và ánh sáng. Phản ứng quang xúc tác sẽ tạo ra các tác
nhân oxi hóa và khử mạnh, đặc biệt là gốc OH.
Trong số những vật liệu xúc tác trên thì TiO 2 là một trong những vật liệu thu
được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Do có độ rộng vùng cấm bé hơn năng lượng tử
ngoại, TiO2 có khả năng hấp thụ mạnh tia này và được sử dụng làm kính chắn tia tử
ngoại, kem chống nắng. Ở dạng bột mịn, TiO 2 còn được sử dụng làm sơn, men sứ,
nhựa giấy, mỹ phẩm... Quang xúc tác là một trong những tính năng đặc biệt của các
tinh thể nano TiO2. Với hoạt tính quang xúc tác cao do tính oxi hóa khử mạnh, giá
thành thấp và dễ chế tạo, cấu trúc bền và không độc, có khả năng tái chế, hoạt tính
quang hóa cao, vật liệu TiO 2 được cho là vật liệu triển vọng để giải quyết nhiều vấn
đề môi trường nghiêm trọng và thách thức từ sự ô nhiễm.
11


Trong vật liệu bán dẫn, sau khi hấp thụ photon chúng sẽ tạo ra cặp điện tử lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp lại, hoặc di chuyển và khuếch tán ra
bề mặt vật liệu, phản ứng với các chất hữu cơ và có thể phân hủy chúng. Các quá
trình phản ứng chính diễn tả cơ chế của quá trình quang xúc tác trong vật liệu bán
dẫn được mô tả trên hình 1.4
1.
2.

3.
4.
5.
6.

Quá trình hấp thụ photon
Sự tái hợp điện tử - lỗ trống bên trong vật liệu
Sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống trên bề mặt vật liệu
Các điện tử di chuyển bên trong vật liệu
Các điện tử di chuyển ra bề mặt vật liệu và phản ứng với chất nhận
Các lỗ trống di chuyển ra bề mặt vật liệu và phản ứng với chất nhận

1
5
1
2
4
3
6

Hình 1.4Các quá trình diễn ra trong chất bán dẫn khi được chiếu sáng
Hiện nay vật liệu có kích thước nano thu hút được sự chú ý của nhiều nhà
khoa học trong nước và trên thế giới. Kích thước hạt giảm làm tăng tỷ lệ số nguyên
tử trên bề mặt so với tổng số nguyên tử và làm tăng khả năng quang xúc tác. Không
những vậy kích thước hạt giảm còn làm tăng bề rộng giải cấm dẫn đến thế oxi hóa
khử của cặp điện tử - lỗ trống tăng
Anpo cùng các cộng sự đã nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của hạt nano
TiO2 và kết luận rằng hoạt tính tăng khi kích thước hạt giảm, đặc biệt là dưới
10nm[6].Wang nhận thấy TiO2 cho hiệu quả quang xúc tác tối ưu khi có một kích
thước nhất định[29]. Khi kích thước hạt giảm đến 11 nm – 21 nm thì hiệu quả

12


quang xúc tác tăng, tuy nhiên khi kích thước hat giảm đến 6 nm thì hiệu quả lại
giảm. Họ kết luận rằng kích thước hạt tối ưu là 10 nm. Chae và cộng sự đã nghiên
cứu hoạt tính quang xúc tác của bốn cỡ hạt nano TiO 2 và họ thấy rằng các hạt 7 nm
cho kết quả tốt hơn 1,6 lần so với hoạt tính quang xúc tác của TiO 2 15 nm và TiO2
30 nm[10].
Mặc dù TiO2 được coi là chất bán dẫn phù hợp nhất cho một loạt các phản
ứng trong các ứng dụng về năng lượng và môi trường, nhưng cũng giống như hầu
hết các chất quang xúc tác tách nước khác, TiO 2 là chất bán dẫn có vùng cấm rộng.
Chính điều này làm hạn chế hiệu quả quang xúc tác của TiO 2, như TiO2 pha anatase
có bề rộng vùng cấm là 3,2 eV, tức là nó chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại,
do đó chỉ một phần nhỏ dưới 5% của ánh sáng mặt trời có thể được sử dụng trong
quá trình quang xúc tác. Hạn chế thứ hai chính là sự tái hợp nhanh chóng của cặp
điện tử và lỗ trống trong quá trình quang xúc tác của TiO 2. Đối với TiO2, electron có
thể bị bắt trên bề mặt trong khoảng thời gian cỡ 30ps và lỗ trống bị bắt trong thời
gian cỡ 250ns ngay sau khi được kích thích và quá trình này diễn ra trong khoảng
thời gian cỡ từ nano giây đến mili giây.
1.1.4 Các biện pháp nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO2
Như trên đã thấy muốn nâng cao hiệu quả quang xúc tác của TiO 2 thì phải
hạn chế quá trình tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống khi bị kích thích chiếu sáng.
Những biện pháp được sử dụng nhiều nhất là:
(1)Quá trình tái hợp nói trên thường xảy ra với vật liệu bán dẫn dạng thù hình vì
các khuyết tật trong cấu trúc tạo cơ hội cho quá trình tái hợp. Chính vì vậy để giảm bớt
xác suất quá trình tái hợp cần phải sử dụng TiO 2 dạng vi tinh thể hoặc nano tinh thể.
Giảm kích thước hạt hoặc sử dụng dưới dạng màng mỏng dưới 10 µm nhằm rút ngắn
quãng đường di chuyển của lỗ trống quang sinh (thông thường quá trình tái kết hợp xảy
ra trong quãng đường di chuyển của chúng ra bề mặt, kích thước hạt nano TiO 2 hoặc
màng TiO2 phải ngắn hơn quãng đường di chuyển ≤ 0,1µm).

(2) Cấy một số ion kim loại (dopping) vào mạng tinh thể TiO 2 có khả năng
bẫy các electron quang sinh, ngăn không cho tái hợp với lỗ trống quang sinh. Một

13


số ion kim loại thường được nghiên cứu để cấy vào mạng tinh thể TiO 2 là: Mn3+,
Fe3+, Ru3+, Cr3+, Ni3+...
(3) Gắn một số cluster kim loại (như Platin, Bạc...) lên trên nền TiO 2 (dạng
Pt/TiO2, Ag/TiO2...) có tác dụng như những hố giữ electron. Các electron quang
sinh ra sẽ bị tích tụ lại ở các cluster kim loại, hạn chế được quá trình tái hợp, làm
tăng thời gian sống của các lỗ trống quang sinh ra để tạo ra các gốc hydroxyl.
(4) Tách xa các lỗ trống quang sinh ra và các electron quang sinh ra bằng
cách đặt một thế hiệu dịch (bias) dương trên màng nanocrystalline TiO 2phủ trên kim
loại (làm một photo anot), lỗ trống quang sinh ra sẽ di chuyển ra bề mặt để tạo ra
các gốc hydroxyl trên photo anot, còn electron quang sinh ra nhờ hiệu điện thế dòng
điện theo dây dẫn nối mạch ngoài theo catot Platin di chuyển theo chiều ngược lại
về phía catot,thực hiện quá trình khử ở đây và như vậy lỗ trống quang sinh ra và
electron quang sinh ra đã được tách riêng ra. Quá trình này được gọi là quá trình
xúc tác quang điện.
(5)Đưa vào hệ phản ứng những chất thu nhận không thuận nghịch các
electron e- (Irreversible Electron Acceptor) nhằm ngăn chặn electron trên vùng dẫn
e-CB trở về các lỗ điện tích dương trên vùng hóa trị h +CB không cho tái hợp lại, kéo
dài thời gian sống của các lỗ điện tích dương h +CB cũng sẽ có tác dụng làm tăng hoạt
tính xúc tác của TiO2.
1.2 Cấu trúc, tính chất của CNTs
Ống nano cacbon đơn tường (SWCNT) được Iijima và Bethune tìm ra vào
năm 1993, đó là các ống rỗng đường kính từ 1,5 – 2 nm, dài cỡ µm. Vỏ ống gồm
các nguyên tử cacbon sắp xếp đều đặn ở các đỉnh lục giác đều[17]. Để dễ hiểu, có
thể hình dung SWCNT từ lá graphen cuộn tròn, dán lại thành ống. SWCNT được

đặc trưng bởi vecto cuộn (còn gọi là véc-tơ chiral) C h xác định hướng cuộn của bản
graphen và chu vi của ống nano.
Ch = na1 + ma2

(1.7)

Trong đó a1, a2 là các vecto cơ sở của mạng graphen, n và m là các số nguyên.
Ngoài ra mỗi SWCNT cũng có thể được biểu diễn thông qua góc θ giữa vecto C h và

14


a1, có giá trị 0 ≤ θ ≤ 30 0. Tùy theo giá trị của (n, m) và θ ta có các ống nano cacbon
với các tên gọi khác nhau được chỉ ra trong hình 1.5

armchair

zig zag

chiral

Hình 1.5Cấu trúc SWCNTs tạo thành từ mạng graphen
Ống CNTs đa tường (MWCNT) bao gồm nhiều SWCNTs có đường kính
khác nhau lồng vào nhau, khoảng cách giữa các SWCNTs này là 0,34 – 0,36 nm
[4]. Mặc dù graphen là vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm bằng 0, tuy nhiên
MWCNT lại có thể hoặc là bán dẫn hoặc là kim loại và có độ rộng vùng cấm khác
nhau tùy thuộc vào đường kính và độ xoắn của ống. Bằng lý thuyết người ta chứng
minh được nếu (n-m) là bội của 3 thì ống nano cacbon là kim loại, nếu (n-m) không
là bội của 3 thì ống nano cacbon là bán dẫn. Như vậy các ống thuộc loại armchair
(n=m) đều có tính chất như kim loại và nếu vecto cuộn C h được phân bố ngẫu nhiên

thì sẽ có 1/3 tổng số ống là kim loại, 2/3 là bán dẫn.
Tính chất dẫn điện của MWCNTs còn phức tạp hơn. Khoảng cách các vách
theo chiều xuyên tâm nhỏ nhất là 0,34 nm (bằng khoảng cách giữa các lớp của cấu trúc
grapphen). Vì vậy, có thể xem các điện tử bị nhốt trong các lá graphen của từng ống.
Đối với các vách ở phía ngoài ống nano, sự dẫn điện tương tự như các tấm graphene
phẳng khi đường kính của ống lớn, khe năng lượng gần như bằng không. Các ống ở
bên trong dù có dẫn điện hay không thì các ống bên ngoài cũng ít nhiều dẫn điện. Do
đó ống cacbon đa tường ít nhất cũng có tính chất bán kim loại như ở graphene.
15


1.3 Tổng quan về vật liệu TiO2/CNTs
Trong các nghiên cứu được tiến hành trước đây, người ta đặc biệt chú ý đến
vật liệu CNTs tạo được hiệu ứng hiệp đồng tích cực với TiO 2, dẫn đến việc hình
thành một hệ thống xúc tác có hoạt tính quang hóa rất mạnh ngay trên bề mặt[18].
Điều này cho phép tăng khả năng quang hóa trong vùng ánh sáng khả kiến. CNTs
có thể tạo thành hợp chất composite với vật liệu TiO 2 để kết hợp các tính chất của
chúng. Trong vật liệu tổ hợp TiO 2/CNTs, CNT hoạt động như một chất hỗ trợ tính
chất quang xúc tác của TiO2 thông qua tính chất dẫn điện tốt.
Composite giữa TiO2 nano với CNTs được đưa ra nhằm làm giảm sự tái hợp
của cặp điện tử và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Khi kích thước
hạt nhỏ hơn bề dày của vùng điện tích không gian thì cặp điện tử lỗ trống sinh ra do
được chiếu sáng có thể dễ dàng chuyển lên bề mặt và phản ứng với chất nhận điện
tử hoặc lỗ trống. Khả năng truyền điện tích nổi bật của CNTs có thể khiến cho các
điện tử kích thích trong dải dẫn của các tinh thể nano bán dẫn TiO 2 dễ dàng di
chuyển vào trong CNTs, do đó giảm khả năng tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống. Có
hai cơ chế giải thích sự tăng cường hoạt tính quang xúc tác của TiO 2/CNTs. Theo
Hoffmann và các cộng sự thì khi một photon ánh sáng có năng lượng cao kích thích
một electron chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn của TiO 2 anatase [15]. Các enày được hấp thụ bởi CNTs và lỗ trống còn lại trên TiO 2 tham gia vào các phản ứng
oxi hóa khử. Theo Wang và cộng sự thì CNTs được xem như chất làm nhạy, nó sinh

ra các e- khi hấp thụ các photon ánh sáng, các electron này sau đó được chuyển vào
vùng dẫn của TiO2 rồi được hấp thụ bởi các phân tử oxi tạo thành các gôc oxi hóa
mạnh [30]. Chính vì thế mà tổ hợp giữa bán dẫn có bề rộng vùng cấm lớn như TiO 2
và CNTs có tính chất quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng khả kiến.
1.4 Một số nghiên cứu thực nghiệm về vật liệu TiO 2/CNTs và điều kiện hoạt
hóa CNTs.
Hình thái và cấu trúc bề mặt của vật liệu tổ hợp phụ thuộc nhiều vào tiền
chất, chất hoạt hóa bề mặt và phương pháp tổ hợp mẫu. Yang và cộng sự đã tổng
hợp thành công vật liệu TiO2/CNTs bằng cách làm sạch bề mặt và hoạt hóa CNT
16


trong axit HNO3 ở 1400C trong 4h[32].Kết quả cho thấy hạt nano TiO 2 có kích
thước khoảng 10nm bám dính trên bề mặt CNT.
Sung Hwan Lee đã tổng hợp thành công vật liệu TiO2/CNTs từ titan (III)
sulfat (Ti2(SO4)3, 99,9%) và ống nano cacbon đa vách (MWCNTs) bằng cách oxi
hóa ống cacbon nano trong aixt nitoric [19]. Mẫu được nung ở 500 0 C. Kết quả ảnh
SEM và TEM cho thấy các hạt nano TiO 2 kích thước từ 10nm - 20 nm bám dính
trên bề mặt CNTs, đồng thời diện tích bề mặt riêng tăng lên 172m 2/g.Từ đó làm tăng
khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp. Kết quả ảnh SEM và TEM thu được ở
hình 1.6 dưới đây.

Hình 1.6Ảnh SEM của mẫu vật liệu TiO2/CNTs được chế tạo bằng cách oxi hóa
CNTs trong axit HNO3[19].
Cũng sử dụng axit nitroric để oxi hóa CNT và Ti[OCH(CH 3)2]4(TTIP) như là
tiền chất của TiO2để chế tạo TiO2/CNTs,nhưngnghiên cứu[1] đã chỉ ra rằng các hạt
nano TiO2 phân tán và bám dính khá tốt trên CNT. Đồng thời kích thước hạt của
mẫu khá đồng đều, dao động trong khoảng từ 7nm – 9nm. Diện tích bề mặt riêng
tăng lên 386 cm3/g. Phổ nhiễu xạ tia X cũng chỉ ra rằng chỉ xuất hiện pha anatase
của TiO2 trên giản đồ (hình 1.7)

Hình 1.7Ảnh SEM và phổ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu TiO2/CNTs được chế tạo
bằng cách sử dụng axit nitroric để oxi hóa CNTs[1].

17


Các nhà khoa học của Tổng công ty NEC đã tìm ra phương pháp cho ống
cacbon nano bị oxi hóa trong axit sufuric và nhận thấy rằng bề mặt của ống nano
cacbon được bao phủ bởi các nhóm chức như COOH, -CO, - COH.Sau đó sử dụng
phương pháp sol-gel để phủ TiO 2 trên bề mặt của CNTs [19]. Kết quả ảnh SEM
(hình 1.8) cho thấy có TiO2 phủ trên CNTs nhưng chưa đồng đều.

Hình 1.8Ảnh SEM của mẫu vật liệu TiO2/CNTs được chế tạo bằng cách sử dụng
axit H2SO4 để oxi hóa CNTs[19].
Mingliang chen và nhóm của ông đã sử dụng axit m-chlorperbenzoic
(MCPBA) để oxi hóa CNTs sau đó sử dụng benzen để tăng khả năng hòa tan TiO 2
trong quá trình phủ TiO2/CNTs [22]. Kết quả SEM (hình 1.9) cho thấy có sự kết
đám của TiO2 trên bề mặt của CNTs, nhưng diện tích bề mặt của vật liệu chỉ khoảng
17,52 m2/g.

Hình 1.9Ảnh SEM của mẫu vật liệu TiO2/CNTs khi sử dụng axit MCPBA để oxi hóa
CNTs[22]
18


Eder và Windle đã tổng hợp vật liệu TiO2/CNTs từ tetrabutuyl- orthotitanate
(TBOT) và ống cacbon đa vách bằng cách sử dụng alcolbenzylic (BA) như một chất
hoạt động bề mặt [11]. Kết quả cho thấy lớp phủ TiO 2 bám đều trên CNTs và làm
tăng khả năng hấp thụ đối với các bước sóng từ 0,26 nm đến 0,56 nm của vật liệu
(hình 1.10). Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy rằng các nhóm chức trên bề mặt

của vật liệu thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ nước và Ti có trong vật liệu (từ phổ hấp thụ
hồng ngoại của mẫu hình 1.10)
Hình 1.10Ảnh SEM và phổ hấp thụ hồng ngoại của các mẫu TiO2/CNTs sử
dụng BA để hoạt hóa với các tỷ lệ H2O : Ti = 0 – 100[11].

Như vậy có thể thấy hình thái, cấu trúc, tính chất của vật liệu phụ thuộc
nhiều vào điều kiện hoạt hóa.
Won-Chun Oh và Ming-Liang Chen tổng hợp vật liệu từ titanium (IV) nbutoxide theo phương pháp MCPBA. Nghiên cứu cho thấy, khi tăng nhiệt độ pha
anatase dần biến mất cùng với đó là sự xuất hiện của pha rutile. Sung Hwan Lee
tổng hợp vật liệu TiO2/CNTs từ titan (III) sulfat và nhiệt độ nung là 5000C, cho kết
quả nhiễu xạ tia X chỉcó đỉnh của pha anatase và của CNTs. Tuy nhiên, Feng-Jun
Zhang và cộng sự chỉ ra rằng, khi tăng nhiệt độ nung mẫu trong khoảng từ 673K 973K thì vật liệu TiO2/CNTs tổng hợp từ bột TiO2 và MWCNTs đồng thời tồn tại
hai pha là pha anatase và pha rutile. Điều này được thể hiện trên hình 1.11. Nên có
thể thấy hình thái và cấu trúc vật liệu TiO 2/CNTs phụ thuộc nhiều vào loại tiền chất
và phương pháp chế tạo mẫu.

19


Hình 1.11Phổ XRD của vật liệu TiO2/CNTs với tỉ lệ khối lượng lần lượt là
5/1(M5/1),1/1 (M1/1), 1/5 (M1/5).
Như đã trình bày ở trên, hệ thống TiO2/UV được sử dụng nhiều trong các quá
trình xúc tác quang hóa. Dưới tác dụng của bức xạ, nhờ vào đặc tính bán dẫn mà
TiO2 có thể tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống với tính oxi hóa khử mạnh. Phần lớn
các ứng dụng của TiO2 trong thực tế đều được tiến hành dưới tác dụng của bức xạ
mặt trời. Tuy nhiên, chỉ có những bức xạ tử ngoại ứng với các photon có năng
lượng lớn hơn 3,2eV (năng lượng band-gap của TiO 2) mới được hấp thụ và tạo ra
hiệu quả quang hóa. Chính vì vậy chỉ có phần bức xạ tử ngoại là có hiệu quả. Do đó
các hướng nghiên cứu về tăng khả năng quang xúc tác của TiO 2 trong vùng ánh
sáng khả kiến được phát triển để sử dụng có hiệu quả hơn đặc tính quang hóa của

loại vật liệu này.
Composite giữa ống nano cacbon và tinh thể nano TiO 2 được đưa ra nhằm
làm giảm sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
Khả năng truyền điện tích nổi bật của CNTs có thể khiến các điện tử trong dải dẫn
của các tinh thể nano bán dẫn TiO 2 dễ dàng di chuyển vào trong CNTs, do đó giảm
khả năng tái hợp của điện tử và lỗ trống. Như đã giải thích ở trên có hai cơ chế giải
thích sự tăng cường hoạt tính quang xúc tác của TiO 2/CNTs. Tổ hợp vật liệu bán
dẫn có bề rộng vùng cấm lớn như TiO 2 và CNTs đã được chứng minh có tính chất
quang xúc tác tốt trong vùng bức xạ khả kiến. Sung-Hwan Lee đã chỉ ra rằng,
TiO2/CNTs có thể phân hủy được hơn 50% thuốc nhuộm Procion Red MX-5B dưới
20


ánh sáng đèn halogen trong 120 phút[21]. Byrappa và cộng sự đã tiến hành xử lý
thuốc nhuộm Indigo bằng TiO 2/CNTs dưới điều kiện ánh sáng mặt trời, sau 7 giờ
TiO2/CNTs xử lý được 97% [9]. Các nghiên cứu của Yi Xie và cộng sự cũng cho
thấy TiO2/CNTs có thể phân hủy được hơn 80% thuốc nhuộm methyl orange MO
sau khi được chiếu sáng bằng đèn xenon trong 10 phút[35]. Liu và cộng sự [33]
cũng đã chứng minh TiO2/CNTs có thể phân hủy hơn 90% thuốc nhuộm acridine
trong 60 phút khi chiếu sáng bằng bức xạ có bước sóng λ˃ 450 nm. Như vậy với các
phương pháp chế tạo khác nhau, thì việc làm tăng hiệu suất quang xúc tác của vật
liệu TiO2/CNTs cũng khác nhau.
1.5 Tổng quan về nghiên cứu mô phỏng vật liệu
Mô phỏng là quá trình phát triển mô hình hóa để mô phỏng một đối tượng
cần nghiên cứu. Thay cho việc phải nghiên cứu đối tượng thực, cụ thể mà nhiều khi
là không thể hoặc tốn kém, người ta mô hình hóa đối tượng đó trong phòng thí
nghiệm và tiến hành nghiên cứu đối tượng đó trên mô hình này. Công nghệ mô
phỏng liên quan đến nhiều ngành khoa học: toán, vật lý, mô hình hóa, tự động, điều
khiển học... và đặc biệt là công nghệ thông tin. Đây là công cụ đa dạng và linh hoạt
đặc biệt thích ứng với việc nghiên cứu thử nghiệm và giáo dục đào tạo.

Công nghệ mô phỏng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực
hoạt động của con người từ mô phỏng các vụ nổ hạt nhân, phản ứng hoá học đến
mô phỏng các cơn bão và thảm họa thiên nhiên, từ mô phỏng trong nghiên cứu, phát
triển khoa học, công nghệ đến ứng dụng mô phỏng trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo.
Về mặt lý thuyết bất kỳ sự vật hiện tượng nào có thể được mô phỏng bằng dữ liệu
và phương trình toán học đều có thể được mô phỏng trên máy tính. Mô phỏng
thường rất khó khăn vì hầu hết các hiện tượng tự nhiên có số lượng gần như vô hạn
các tham số gây ảnh hưởng. Vì vậy để phát triển các ứng dụng mô phỏng có hiệu
quả cần xác định những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mục tiêu của nhiệm
vụ mô phỏng. Ngoài ra, để bắt chước các quá trình nhằm xem cách chúng hoạt động
theo các điều kiện khác nhau, người ta còn dùng phương pháp mô phỏng để kiểm
tra lý thuyết mới. Sau khi tạo ra một lý thuyết về mối quan hệ nhân quả, nhà khoa
21


học có thể hệ thống hóa các mối quan hệ bằng chương trình máy tính. Nếu chương
trình sau đó hoạt động như là quá trình thực tế thì ta có thể kết luận và dự đoán các
mối quan hệ được đề xuất là chính xác. Đối với bộ môn vật lý, mô phỏng có ý nghĩa
rất quan trọng. Các kết quả thực nghiệm thường ít được đo ở điều kiện tốt (đơn pha
tinh thể, độ phân giải cao, nhiệt độ thấp...) nên việc kết nối với lý thuyết để phân
tích cơ chế còn gặp nhiều khó khăn. Hoặc có những kết quả về công nghệ là rõ rệt
nhưng việc phân tích đặc trưng của các hiệu ứng trong vật liệu còn hạn chế, do các
kết quả thực nghiệm chưa được phân tích để kết nối với các mô hình lý thuyết. Để
khắc phục, nhóm nghiên cứu [1,27] đã tìm kiếm một cách làm từ phía bán thực
nghiệm- là tìm cách mô hình hóa bài toán theo điều kiện hiện có của bài toán thực
nghiệm, sử dụng các chương trình và phần mềm cho vật liệu để tính cấu trúc điện tử
bổ trợ cho sự phân tích đặc trưng vật lý của các vật liệu đang nghiên cứu. Trong
những năm gần đây, vật lý mô phỏng đã và đang trở thành một lĩnh vực rất quan
trọng trong nền vật lý hiện đại và đã được các nhà khoa học chú trọng phát triển
một cách mạnh mẽ. Với sự kiện máy tính tốc độ cao cùng với sự phát triển vượt bậc

của kỹ thuật tính toán đã thay đổi bức tranh của nền vật lý hiện đại. Mô phỏng đưa
ra và giải quyết những bài toán của lý thuyết bằng các toán tử và phương trình đã
được số hóa ngôn ngữ lập trình. Không dừng lại ở đó, mô phỏng còn cho phép tiên
đoán những tính chất, đại lượng vật lý mới khi mà không mà không một thiết bị
thực nghiệm nào đo được. Nghiên cứu vật lý bằng phương pháp mô phỏng đã và
đang trở thành một công cụ không thể thiếu của các nhà khoa học vật lý trong giai
đoạn hiện nay và sau này.
1.6 Một số kết quả nghiên cứu mô phỏng vật liệu TiO2, TiO 2/CNT bằng lý
thuyết DFT
TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ nhờ đặc tính xúc tác và quang
xúc tác. Tuy nhiên, các đơn tinh thể cũng có những đặc tính tốt, nhiều nghiên cứu
cơ bản về khả năng phản ứng của TiO 2 mới tập trung vào pha rutil. Trong thực tế,
hầu hết các ứng dụng của TiO2 đều sử dụng pha anatase thay vì pha rutile (vì pha
anatase hoạt động quang xúc tác mạnh mẽ hơn). Cụ thể Hou và các cộng sự chỉ ra
22


rằng các chất xúc tác dạng Co/TiO 2 anatase có mức hoạt động lớn hơn so với chất
xúc tác dạng Co/TiO2 rutile trong quá trình chuyển hóa CH4/CO2[15].
Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng TiO 2 anatase là bán dẫn có sự chuyển
mức thẳng và điều này cũng được chỉ ra trong một số kết quả lý thuyết. Trong tính
toán bằng chương trình CASTEP với gần đúng GGA cũng cho kết quả TiO 2 anatase
có sự chuyển mức thẳng trong vùng cấm theo điểm G(0,0,0) và bề rộng vùng cấm là
2,23eV (đối với phiếm hàm mật độ địa phương LDA), giá trị này nhỏ hơn giá trị thu
được bẳng thực nghiệm đối với pha anatase là 3,2 eV. Độ chênh lệch này có thể
hiệu chỉnh bằng phiếm hàm LDA+U, U là thế tương tác tĩnh điện giữa các điện tử
Bên cạnh đó các cluster (TiO2) cũng được quan tâm nghiên cứu. Rana và cộng
sự đã nghiên cứu cấu trúc của các cụm (TiO 2)n bằng cách thay đổi kích thước cluster
với các trạng thái tối ưu, trong đó n= 2 đến 11. Cấu trúc đã được xây dựng và tìm ra
trạng thái hình học bền vững nhất thông qua phiếm hàm mật độ PBE và được thực

hiện trong gói phần mềm Vienna. Các tính toán chỉ ra rằng kích thước của cụm
(TiO2)n tăng từ n=2 đến 11, thì năng lượng toàn phần giảm. Năng lượng hình thành
một nano cluster của (TiO2)n chứa n phân tử TiO2 được tính theo công thức:

E( form ) =

1
− ETiO2
n × ETinO2 n

(1.8)

Trong đó E(TiO2 )n là năng lượng toàn phần của các cluster và E TiO2 là năng
lượng của một phân tử TiO2 bị cô lập. Năng lượng hình thành được coi như là một
hàm của kích thước nguyên tử của cluster và được thể hiện ở hình 1.12

23


Hình 1.12Năng lượng hình thành (TiO2) cluster
Khi kích thước cluster giảm, năng lượng hình thành tăng lên. Năng lượng bề
mặt đóng góp vào năng lượng trạng thái toàn phần và cao hơn trong nhóm nhỏ hơn.
Các nguyên tử bề mặt trong các cluster nhỏ hơn có sự kết hợp với số liên kết ít hơn.
Các nano cluster (TiO2)n với n là số chẵn có năng lượng hình thành ổn định hơn khi
n là số lẻ. Các mô hình cluster (TiO 2)n trong hình 1.12 tiết lộ sự ổn định của các
cluster ở trạng thái cơ bản do quá trình chuyển đổi từ quỹ đạo p của oxy tới quỹ đạo
p của titan khi chúng hình thành cluster. Titan là một kim loại chuyển tiếp với một
cấu hình nguyên tử [Ar] 4s23d2 và oxy với 1s22s22p4 dẫn đến sự lai hóa s-p-d.
Bên cạnh các nghiên cứu lý thuyết về TiO2 pha tạp thì các nghiên cứu lí thuyết
về TiO2 tổ hợp với CNTs cũng rất được quan tâm. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, vật

liệu tổ hợp thể hiện tính chất quang trong vùng bức xạ khả kiến tốt hơn trong vùng bức
xạ tử ngoại. Các nghiên cứu còn cho thấy, vật liệu TiO 2/CNTs có bề rộng vùng cấm
nhỏ hơn TiO2 tinh khiết [25,26,28,29,30,31]. Kết quả nghiên cứu của Run L và cộng sự
về cấu trúc TiO2/CNT bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ đã chỉ ra rằng mặt phân cách
CNT/TiO2 đã làm giảm sự tái hợp điện tích [24]. So sánh giữa CNT bán dẫn và CNT
kim loại, thì CNT bán dẫn/TiO2 dưới ánh sáng khả kiến cho hoạt tính quang xúc tác
cao hơn, do đó tỉ lệ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống thấp hơn. CNT được xem như một
chất làm nhạy, nó sinh ra các cặp e khi hấp thụ các photon ánh sáng, các e này sau đó

24


được chuyển vào vùng dẫn của TiO2. Từ hình 1.13 ta thấy khi tổ hợp CNT với TiO 2 thì
độ rộng vùng cấm của TiO2 được thu hẹp đáng kể.
Hình 1.13Mật độ trạng thái của CNT(10,0)/TiO2(110)
Wei Geng cùng cộng sự đã nghiên cứu vật liệu tổng hợp TiO 2/ graphene bằng
lý thuyết phiếm hàm mật độ và sử dụng hàm GGA [31]. Nghiên cứu còn chỉ ra, điện
tích tập trung nhiều ở vị trí kết nối giữa nguyên tử Ti và nguyên tử C.
Kết quả nghiên cứu của Pham Tien Lam [21] về mật độ điện tích của các
cluster TiO2và (TiO2)2 trên cacbon nanotube chỉ ra rằng trong các phản ứng
quang xúc tác CNT được coi như chất hấp thụ photon, nó sinh ra các electron và
các lỗ trống. Các electron sau khi chuyển vào vùng dẫn của TiO 2 thường định xứ
xung quanh các nguyên tử Ti (còn orbital d trống) trên bề mặt hạt nano TiO 2. Còn
khi 1 electron bị lấy ra khỏi cluster TiO 2thì các lỗ trống hình thành sẽ định xứ xung
quanh các nguyên tử O bề mặt trong khối cluster TiO2.

Hình 1.13Mật độ điện tích của tổ hợp TiO2/CNT
Trong nghiên cứu của nhóm [1,27] đã xây dựng được (TiO 2)n với n= 1, 2, 3
và đưa lên CNT (hình 1.14). Kết quả cho phép bàn về khả năng truyền dẫn điện tích
và tính bền vững của các cấu hình đã được mô phỏng và tối ưu hóa.

25