VẬT LIỆU MAO QUẢN SILICAT

BÀI GIỮA KÌ
MÔN: VẬT LIỆU MAO QUẢN VÀ ỨNG
DỤNG

PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ KHỬ HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT BET
(BRUNAUER - EMMETT - TELLER)
PHẦN 2: DỊCH BÀI BÁO 1

NHÓM I
Tên
Phạm Minh Hoàng
Nguyễn Hữu Chơn
Huỳnh Hữu Điền
Lê Thu Hà

Hệ số
1
1
1
1


PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ KHỬ HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT BET
(Brunauer - Emmett - Teller)


1.1. Các lý thuyết
1.1.1. Thuyết Langmuir
Các phương trình Langmuir (còn được gọi là đẳng nhiệt Langmuir, phương trình hấp
phụ Langmuir hoặc phương trình Hill - Langmuir) hấp phụ các phân tử trên một bề
mặt vững chắc để đo áp suất khí hoặc sự tập trung của nó trên bề mặt rắn ở nhiệt độ cố

định. Phương trình được phát triển bởi Irving Langmuir năm 1916.
1.1.2. Lý thuyết hấp phụ
Hấp phụ trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chât lỏng bị hút trên bề
mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent), chất
rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate) và những khí không bị
hấp phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ
hay nhả hấp phụ.
Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt càng
lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.
Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành
song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp
suất... )
1.1.3. Quy trình nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt
Các khái niệm cơ bản:
* Hấp phụ là hiện tượng tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha.
Lưu ý: Phân biệt quá trình hấp phụ và quá trình hấp thụ.
* Chất hấp phụ: là chất thu hút phân tử (ion) lên bề mặt.
* Chất bị hấp phụ: là chất được tích luỹ trên bề mặt phân cách pha (thường khảo
sát là rắn - lỏng).
* Động học hấp phụ là diễn biến nồng độ chất bị hấp phụ (còn lại trong dung
dịch) theo thời gian. Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian được gọi là đường
động học hấp phụ.
* Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ theo
nồng độ cân bằng ở một nhiệt độ xác định.
* Dung lượng hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chất hấp phụ tại
thời điểm cân bằng.
Nghiên cứu hấp phụ:

3


Bao gồm 2 nội dung: (1) khảo sát động học hấp phụ và (2) xây dựng đường đẳng nhiệt
hấp phụ.
Khảo sát động học hấp phụ:
Việc khảo sát động học hấp phụ giúp chúng ta đánh giá được tốc độ quá trình hấp phụ
là nhanh hay chậm, xác định được thời gian đạt cân bằng để làm thí nghiệm xây dựng
đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Quy trình thực nghiệm:
Tuỳ theo đặc điểm của hệ hấp phụ mà ta có thể tiến hành theo quy trình 1 hay 2.
Quy trình 1: Lấy 1 L dung dịch, khuấy đều (có thể bằng máy khuấy từ hoặc khuấy
cơ), thêm m (g) chất hấp phụ và tiếp tục khuấy trong 10 phút (mục đích là để bề mặt
chất hấp phụ thấm ướt hoàn toàn). Sau đó thêm V (ml) dung dịch chất hấp phụ gốc và
bắt đầu tính giờ. Sau các thời điểm 5, 10, 20, 40, 60, 120, 180 phút lấy mẫu và lọc
nhanh qua giấy lọc 0,45 um (tốt nhất là lọc bằng thiết bị lọc cầm tay). Số lượng mẫu
lấy khoảng 7 – 10 (lưu ý phải xác định nồng độ tại thời điểm ban đầu (mẫu số “0”),
mẫu này cần lấy lặp lại 2 – 3 lần). Mẫu sau lọc được bảo quản bằng chất bảo quản
tương ứng.
Khối lượng chất hấp phụ m và thể tích chất gốc V phải được tính toán trước khi
làm thí nghiệm để có nồng độ mong muốn. Yêu cầu đối với chọn m và V là: phải hạn
chế được sai số trong quá trình phân tích, đo đạc; hiệu xuất hấp phụ khi cân bằng đạt
khoảng 30 – 70 %.
Thời gian lấy mẫu có thể thay đổi tuỳ theo bản chất (cách tốt nhất để lựa chọn thời
gian lấy mẫu là tham khảo các nghiên cứu cùng loại đã được thực hiện).
Xác định thời gian cân bằng: Quá trình hấp phụ coi như đạt cân bằng khi ta có 3
số liệu sát nhau dao động quanh 1 con số (hay sai lệch giữa 2 số liệu cuối cùng không
quá 2%).
Quy trình 2: Trong quy trình này, số lượng bình phản ứng (thường sử dụng bình
tam giác có nút cao su) bằng với số lượng mẫu lấy (7- 10). Với mỗi bình ta cho thể

tích dung dịch và lượng chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là như nhau. Các bước thí
nghiệm được thực hiện tương tự quy trình 1. Sau mỗi thời điểm, một bình được lấy ra
lọc.
Đường động học hấp phụ:
Biểu diễn biến thiên nồng độ trên đồ thị C – t và xác định thời gian đạt cân bằng.
1.2. Khái niệm – Lý thuyết BET

4


BET (Brunauer – Emmett - Teller) lý thuyết nhằm giải thích hấp phụ vật lý
của phân tử khí trên một bề mặt vững chắc và là cơ sở cho kỹ thuật phân tích quan
trọng để đo diện tích bề mặt riêng của vật liệu.
Lý thuyết BET cho rằng sự hấp phụ khí, hơi trên bề mặt chất rắn là hấp phụ vật lí,
ở giai đoạn áp suất thấp thì tuân theo quy luật như của phương trình đẳng nhiệt hấp
phụ của Langmuir, nếu tăng áp suất thì sẽ diễn ra quá trình hấp phụ đa lớp khi áp suất
tiến tới bằng áp suất hơi bão hòa trên bề mặt rắn thì có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ
trong các mao quản hấp phụ. Như vậy theo BET các phân tử chất hấp phụ không
chuyển động tự do trên bề mặt và không tương tác với nhau, ở những điểm khác nhau
có thể hình thành nhiều lớp hấp phụ nhưng tổng bề mặt là không đổi. Để thiết lập
phương trình đẳng nhiệt BET người ta thừa nhận giả thuyết của Langmuir và bổ sung
thêm một số điều:
Enthanpy của các phân tử không thuộc lớp thứ nhất đều bằng nhau và bằng
enthanpy hóa lỏng.
* Số lớp hấp phụ trở nên vô cùng lớn ở áp suất bão hòa.
1.3. Các phương trình nghiên cứu BET
1.3.1. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ:
Quy trình thực nghiệm:
Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, ta tiến hành thí nghiệm với 7- 10 nồng
độ ban đầu (C0) chất bị hấp phụ khác nhau, cùng 1 nồng độ chất hấp thụ. Các điều

kiện khác (pH, nhiệt độ, lực ion, thể tích, tốc độ khuấy như nhau trong mỗi thí
nghiệm. Quá trình hấp phụ với mỗi nồng độ ban đầu được tiến hành quá thời gian cân
bằng hấp phụ (khoảng 5 – 10 % để đảm bảo hấp phụ đạt cân bằng). Sau khi đạt cân
bằng, các mẫu được lọc để xác định nồng độ còn lại (chưa hấp phụ) sau khi cân bằng.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ:
Gọi:
V là thể tích dung dịch phản ứng.
m là khối lượng chất hấp phụ.
C0 là nồng độ chất hấp phụ ban đầu.
Ccb là nồng độ tại thời điểm cân bằng.
Dung lượng hấp phụ được tính như sau:

Như vậy, với mỗi nồng độ ban đầu C0 ta sẽ có một dung lượng hấp phụ ứng với
nồng độ cân bằng tương ứng, biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào
nồng độ cân bằng ta thu được đ hgồ thị có dạng như sau:
5


Xử lý số liệu thực nghiệm:
Số liệu thưc nghiệm có thể được xử lý theo một số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt.
Hai mô hình phổ biến được sử dụng là: mô hình Langmuir và mô hình Frienlich.
1.3.2. Mô hình Langmuir:

Trong đó : Γ: dung lượng hấp phụ ứng với nồng độ C.
Γm: dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp.
C: nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng.
Km: hằng số cân bằng hấp phụ.
Để xác định Γm, Km trong phương trình Langmuir ta tuyến tính hoá phương trình
trên thành:

Từ các số liệu nồng độ chất bị hấp phụ ở thời điểm ban đầu và thời điểm cân
bằng, lượng chất hấp phụ ta tính được các thông số trong bảng sau:
Số thí
nghiệm
1
2
…
N

Ccb

Γ

1/Ccb

1/ Γ

Biểu diễn sự phụ thuộc 1/T theo 1/C cb. Đường thu được sẽ là một đường thẳng với
giao điểm với trục tung là 1/ T m, độ dốc của đường thẳng là 1/ T mKm. Từ đó ta xác
định được các thông số trong phương trình Langmuir.
1.3.3. Mô hình Frienlich:

Trong đó: Γ : dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng.
C: là nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch ở trạng thái cân bằng μg/l.
K: là hằng số đẳng nhiệt Freundlich.
n: hệ số mũ đẳng nhiệt Freundlich, (n >1).
Để xác định K, n trong phương trình Frienlich, ta tuyến tính hoá phương trình trên
thành:
6

ln(Γ) = ln(K) + ln(C)/n
Từ các số liệu khảo sát ta tính toán được như bảng số liệu sau:
Số thí nghiệm
1
2
…
N

Ccb

Γ

Ln(Ccb)

Ln( Γ)

Biểu diễn sự phụ thuộc ln(Γ) theo ln(Ccb) ta sẽ thu được một đường thẳng. Từ độ
dốc của đường thẳng ta xác định được n, từ giao điểm với trục tung ta xác định được
K.
Mô hình nào mô tả tốt hơn quá trình hấp phụ?
Để trả lời câu hỏi này thông thường ta dựa vào các giá trị hệ số tương quan R 2 của
các đường tuyến tính, R2 càng gần 1 thì mô hình tương ứng tốt hơn.
Những lưu ý khi làm thí nghiệm
Sự hấp phụ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, pH, môi trường (lực ion, chất hấp phụ
cạnh tranh). Nên khi tiến hành thí nghiệm ta cần đo (theo dõi các yếu tố này). Các
thông số này cần ổn định trong suốt thí nghiệm.
1.4. Giới thiệu một số máy sử dụng phương pháp BET
1.4.1. Model Micromeritics TriStar II Plus đo hấp phụ vật lý tự động

7


Đặc tính kỹ thuật:
Thiết bị phân tích diện tích bề mặt và lỗ xốp: ba cổng mẫu, là thiết bị phân tích hấp
phụ vật lý tự động hoàn toàn với chức năng đọc liên tục, chi phí vận hành thấp, đồng
thời phân tích cùng lúc 03 mẫu xác định diện tích bề mặt riêng (Specific Surface Area)
và phân bố kích thước lỗ (pore size distribution ) từ 17 đến 5000 Angstroms. Bình
phân tích được chế tạo từ thép không gỉ chống chịu ăn mòn và nâng cao khả năng
quản lý khí.Có thể nâng cấp lên tính năng đo diện tích bề mặt xuống thấp đến
0.001m2/g với tùy chọn sử dụng khí Krypton . Kết hợp với phần mềm nén dữ liệu
tương tác MicroActive. Giao diện điều khiển được nâng cao với các chỉ báo thời gian
thực và lịch bảo trì hệ thống. Giá đã bao gồm hệ thống bơm chân không với độ chân
không cao, điện áp 100-230 volt, 50/60 Hz.
Các khí phân tích: N2, Kr, O2, Ar, CO2, CO, Butane hoặc bất kỳ khí không ăn mòn
nào khác.
Các đặc tính nổi bật của hệ thống phân tích:
* Phân tích độc lập và đồng thời 3 mẫu
* Hoàn thành phân tích BET 5 điểm trong 20 phút
* Hiệu chuẩn cảm biến áp suất phù hợp chuẩn NIST
8


Đo diện tích bề mặt xuống đến 0.01 m2/g sử dụng khí Nitơ
* Có nhiều chế độ cho thể tích trống: nhập vào, đo, tính toán
* Các chế độ áp suất bão hòa: nhập vào, đo hoặc ghi liên tục
* Có 6 cổng chuẩn bị mẫu riêng biệt để sử dụng (xem phần dưới)
* Công nghệ áo đẳng nhiệt được cấp bản quyền duy trì mức dung dịch làm lạnh
trong ống mẫu lên đến 24 giờ phân tích liên tục không cần người giám sát
* Mô đun bơm chân không phân tử turbo bao gồm bơm hút chân không cao turbo

tích hợp với bơm màng thô
* Kỹ thuật ‘DFT đôi’ cho phép xác định các tính chất của Cacbon lỗ nhỏ
Các kỹ thuật phân tích/báo cáo thực hiện được trên máy
Diện tích bề mặt đơn điểm BET
Diện tích bề mặt đa điểm BET
Hấp phụ đẳng nhiệt (isotherm)
Giải hấp phụ đẳng nhiệt (isotherm)
Diện tích bề mặt Langmuir
Thể tích lỗ xốp vừa BJH mesopore
Diện tích và thể tích lỗ nhỏ
Tổng thể tích lỗ xốp
Đồ thị DeBoer t-plot & các loại khác
Phương pháp MP
Chuẩn đẳng nhiệt
Đồ thị αs
Đồ thị tỉ số f-Ratio
Nhiệt của hấp phụ
Đẳng nhiệt Freundlich & Temkin
Lý thuyết hàm mật độ
Các đẳng nhiệt chuẩn
Horvath-Kawazoe
Dubinin-Radushkevich
Dubinin-Astakhov
Chi tiết các tùy chọn và tóm lược
Xếp chồng đồ thị (bao gồm cả dữ liệu nén)
Các đặc tính của phần mềm:
* Tương thích hệ điều hành Microsoft Windows.
* Chia sẻ ổ đĩa mạng và máy tính mạng.
* Chức năng chỉnh sửa dữ liệu trên màn hình và xuất dữ liệu định dạng đơn
giản.

* Điều khiển tối đa 4 thiết bị từ một máy tính.
* Model ASAP 2020 – Đo Hấp Phụ Vật Lý Tự Động.
1.4.2. Micromeritics Gemini VII 2390 Phân tích dòng diện tích bề mặt
*

9


Micromeritics Gemini VII 2390 Series phân tích diện tích bề mặt nhanh chóng và
đáng tin cậy xác định diện tích bề mặt chính xác. Chi phí thấp, tốc độ cao, sử dụng
đơn giản, độ tin cậy cao, độ chắc chắn và đã giành được vị trí quan trọng trong các
phòng thí nghiệm nghiên cứu và kiểm soát chất lượng trên toàn thế giới. Xác định
BET đơn và đa lớp trên các khu vực bề mặt Langmuir, tổng khối lượng lỗ, và các
phương pháp phân tích vi mô.
Khả năng độc đáo
Thiết kế của Gemini cung cấp khả năng độc đáo chỉ có ở các sản phẩm đắt tiền
hơn. Nhiều tính năng lỗi thời vốn có trong công cụ tích truyền thống tĩnh được loại bỏ
thông qua chế độ từ chối. Điều này cung cấp một công cụ đo lường chính xác hơn và
ổn định hơn chính xác hơn, do đó cung cấp khả năng độc đáo. Ví dụ, sử dụng nitơ, các
máy Gemini có khả năng thực hiện các phép đo trên vật liệu với diện tích bề mặt rất
thấp, khi mà công cụ tương tự sẽ yêu cầu sử dụng Krypton nhưng Krypton không chỉ
đắt hơn mà đo đẳng nhiệt krypton đòi hỏi áp lực thấp hơn và yêu cầu thành phần bổ
sung trong công cụ để đo lường những áp lực thấp hơn. Nếu không có yêu cầu bổ
sung, máy Gemini giá và chi phí vận hành vẫn còn thấp.
• Các phiên bản Windows ® dễ dàng để làm theo những cài đặt và kiểm tra xác
minh hệ thống để đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ tin cậy cao.
• Cho phép đo diện tích bề mặt thấp mà không đòi hỏi krypton.
Các ưu điểm
• Chi phí thấp
• Hoạt động hoàn toàn tự động

10


• Thông lượng cao - lên đến bốn máy Geminis có thể hoạt động với 1 máy tính
• Có khả năng đo diện tích bề mặt của vật liệu kích thước nhỏ
• Lựa chọn chế độ phân tích (quét hoặc cân bằng)
• Không có lỗi nhiệt khuếch tán
• Thiết kế bằng thép không gỉ
1.5. Hình ảnh liên quan

11


+ Từ đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên gốm xốp, tại p/po = 0 thì
lượng N2 hấp phụ của vật liệu chỉ khoảng 0,15 cm 3/g nhưng khi p/po tăng từ 0,85 đến
1 thì lượng N2 hấp phụ của vật liệu tăng đột biến từ 0,7 đến 3,1 cm3/g.
Tuy nhiên, cũng từ đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên gốm xốp có
gắn CNT, tại p/po = 0 thì lượng N2 hấp phụ của vật liệu đã là 2 cm3/g vậy khi p/po
tăng từ 0,85 đến1 thì lượng N2 hấp phụ của vật liệu tăng đột biến từ 12 đến 47 cm 3/g.
Như vậy, sau khi gắn CNT, lượng N2 hấp phụ của vật liệu đã tăng ~ 17 lần.
+ Ngoài ra kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu gốm xốp có gắn ống nano
cacbon theo BET diện tích tăng lên ~ 16 lần (12,6 m 2/g) so với vật liệu gốm xốp khi
chưa gắn ống nano cacbon (0,8 m2/g).
+ Không chỉ vậy, từ đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt ri ng của gốm xốp, đối với các
mao quản có đường kính từ 1 - 5 nm thì diện tích lớn nhất là ~ 0,13 m 2/g.nm nhưng
cũng từ đồ thị của gốm xốp đã gắn CNT, với các mao quản có đường kính từ 1 – 5 nm
thì diện tích đã là ~ 1,7 m2/g.nm. Như vậy, diện tích bề mặt riêng của các mao quản từ
1 – 5 nm là các mao quản có khả năng tốt hấp phụ các ion kim loại nặng đã tăng ~ 13
lần. Điều này đồng nghĩa với khả năng hấp phụ của gốm xốp sau khi gắn CNT tăng
lên nhiều.

12


1.6. Ứng dụng
- Xác định diện tích bề mặt bên trong của nhiều vật liệu rắn xốp:
+ Xác định các bề mặt bên trong của xi măng dán
+ Xác định khả năng hấp phụ cao của than hoạt tính (bằng cách cho hấp phụ khí
Nitơ lỏng).

13


PHẦN 2: DỊCH BÀI BÁO 1


CẤU TRÚC VẬT LIỆU XỐP PHÂN CẤP CHO CHUYỂN ĐỔI VÀ LƯU TRỮ NĂNG
LƯỢNG
Vật liệu có độ xốp và cấu trúc phân lớp đã tham gia sâu vào sự phát triển mới hệ thống lưu trữ
và chuyển đổi năng lượng. Do mô hình và cấu trúc thứ bậc của thông qua các hệ thống tự
nhiên, vật liệu xốp có cấu trúc phân cấp có thể cung cấp diện tích bề mặt lớn cho phản ứng,
vận chuyển bề mặt, hoặc phát tán của các khu đang hoạt động ở quy mô dài khác nhau của
các lỗ và rút ngắn con đường khuếch tán hoặc làm giảm sự khuếch tán hiệu quả. Bởi sự kết
hợp của màng vĩ mô trong nguyên liệu, thu nhận ánh sáng có thể được nâng cao, cho thấy
tầm quan trọng của màng vĩ mô trong ánh sáng liên quan các hệ thống như xúc tác quang và
quang điện.Việc xem xét các ứng dụng của vật liệu xốp có cấu trúc phân cấp trong chuyển đổi
năng lượng và lưu trữ được thể hiện. Sự tham gia của chúng trong việc chuyển đổi năng
lượng như trong quang hợp, xúc tác quang sản xuất H 2, xúc tác quang, hoặc trong thuốc
nhuộm nhạy tế bào năng lượng mặt trời (DSSCs) và các tế bào nhiên liệu (FCs) được đề cập.
Công nghệ lưu trữ năng lượng như pin Li-ion, siêu tụ điện, lưu trữ hydro và lưu trữ nhiệt
lượng mặt trời được phát triển dựa trên phân cấp vật liệu xốp được. Các liên kết giữa các cấu

trúc phân cấp xốp và hình dạng của chúng trong chuyển đổi năng lượng và lưu trữ có thể thúc
đẩy sự thiết kế của cấu trúc mới lạ có tính chất vượt trội.
1. Giới thiệu
Vật liệu tự nhiên phát triển đáng kinh ngạc và hấp dẫn nhờ cấu trúc phân cấp đang sử dụng
dựa trên các thành phần đơn giản như polyme và khoáng chất giòn với nhiều các chức năng.
Chúng có thể hoạt động như đệm cơ học. Sự phân cấp này là một trong các đặc điểm chính
được tìm thấy trong vật liệu tự nhiên. Hơn nữa tối ưu hóa cấu trúc bền, nguyên liệu tự
nhiênvới cấu trúc phân cấp có khả năng thích ứng, để định hình lại cấu trúc của chúng phải
đối diện với môi trường của chúng, và thậm chí tự chỉnh sửa để tồn tạivà phát triển. Mối quan
hệ giữatổ chức phân cấp sinh vật sống và môi trường được định hướng bởi năng lượng và vật
chất. Tất cả sinh vật và các hệ thống tự nhiên được duy trì bởi dòng năng lượng. Do đó,
nguyên liệu tự nhiên phát triển trong mối quan hệ chặt chẽ với các chức năng chuyển hóa
năng lượng, vận chuyển, và lưu trữ. Các cấu trúc có thứ bậc trong vật liệu tự nhiên đóng một
vai trò quan trọng trong tạo ra các chức năng khác nhau và trongcác quy trình liên quan đến
năng lượng trong tự nhiên. Ví dụ, các cấu trúc thứ bậc của màu xanh lá cây và quang hợp cây
được tối ưu hóa cho hiệu quả thu nhận ánh sáng và ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành năng
lượng hóa học bằng cách quang hợp [1] và sự quang hợp vi sinh vật có chứa các cấu trúc
phân cấp như tảo với tính chất quang học đặc biệt. [2]
15


Nó khá hấp dẫn mà các cấu trúc nano phân cấp có mặt tại các bề mặt thực vật sa mạc có khả
năng phản xạ ánh sáng và ánh sáng tia cực tím để bảo vệ chống lại khô hạn trong khi bề mặt
kỵ nước có thể được sử dụng để bảo tồn năng lượng, giảm tiêu hao năng lượng [3]. Như là
một bước trong việc học từ thiên nhiên và hướng tới phần lớn các vật liệu công nghệ phân cấp
con người tạo ra, trong đó không chỉ có thể mô phỏng các chức năng của các vật liệu tự nhiên
với một cấu trúc phân cấp xác định, có những đặc tính mới và ưu việt, cấu trúc tự nhiên khác
nhau đã được sử dụng như mẫu sinh học cho việc thiết kế các vật liệu cho các chức năng
chuyển hóa và lưu trữ năng lượng. Ví dụ, lá cây đã dùng làm sinh vật mẫu để mô phỏng một
phần của quá trình quang hợp và các vật liệu thu được cũng được xác định cấu trúc phân cấp

gồm mô phỏng rất tốt của cấu trúc chloroplaste, trong đó cho thấy việc tăng cường thu nhận
ánh sáng và hoạt động của quá trình quang xúc tác H2.[4-9] Cánh bướm cũng cho thấy một
cấu trúc phân cấp đáng kể rất thú vị về quang học và tính chất quang và đã được sử dụng để
tạo ra các bản sao. Vật liệu thu được cho thấy tính chất rất đầy hứa hẹn như cực dương cho
các tế bào năng lượng mặt trời (SCS) [10-12] và thuốc nhuộm nhạy tế bào năng lượng mặt
trời (DSSCs). [13] Một lần nữa lấy cảm hứng từ các cấu trúc phân cấp của lá cây, thylakoids,
chloroplates, toàn bộ tế bào chiết xuất từ lá cây, và các tế bào quang hợp khác đã được gói
gọn vào phân cấp xốp hydrogel SiO2 để tạo thành giống như lá nguyên liệu để bmô phỏng các
chức năng quang hợp của lá cây. [14-30].
Các kết quả được khá đầy hứa hẹn cho chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa
học và giảm thiểu CO2 cho mục đích môi trường. Tảo với hệ thống xốp phân cấp đẹp có được
sử dụng như hỗ trợ sinh học để phủ một cấu trúc lớp nano TiO 2 để tạo ra vật liệu phân cấp xốp
mới có thể giúp tăng gấp ba lần lượng điện từ thử nghiệm DSSCs. [31-34] Các điện cực
carbon xốp phân cấp điều chế bằng cách sử dụng các cấu trúc gỗ phân cấp và đất mùn có thể
cải thiện khả năng lưu trữ liti. [35-42] Tất cả các vật liệu xốp mẫu sinh học cấu trúc phân cấp
có thể phục vụ như là mô hình tốt cho các thiết kế vật liệu năng lượng nhân tạo tiên tiến.
Vật liệu có độ xốp và cấu trúc phân cấp có liên quan đến lưu trữ và chuyển đổi năng lượng
mới. Do thiết kế tỉ mỉ và khéo léo cấu của trạng thái xốp thông qua mô phỏng các hệ thống
vật liệu tự nhiên, vật liệu xốp có cấu trúc phân cấp có thể cung cấp diện tích bề mặt lớn để
phản ứng, vận chuyển, hoặc phân tán của các vị trí hoạt động ở lớp bề dày khác nhau và rút
ngắn con đường khuếch tán hoặc giảm hiệu ứng khuếch tán. Nhờ sự phân cấp tốt của các
thành phần cấu trúc nano và các hợp chất hóa học ở sự sắp xếp khác nhau, phản ứng và thu
nhận ánh sáng có thể

16


được tăng cường [43-45] kể từ khi nó được tìm thấy trong vật liệu xốp TiO 2, các khe hoạt
động như một con đường truyền ánh sáng, photon chuyển lên bề mặt bên trong của mao quản
trung bình TiO2. Điều này cho phép sóng ánh sáng xâm nhập sâu bên trong xúc tác quang, làm

cho nó nhận ánh sáng hiệu quả hơn. [43]
Cấu trúc phân cấp xốp có thể cũng hoạt động như nguyên liệu chủ để ổn định hoặc kết hợp
thành phần hoạt động khác, hoặc trong trường hợp của cacbon xốp, chúng có thểcung cấp pha
dẫn điện cũng như những vị trí phân cấp. Có rất nhiều ví dụ về việc sử dụng các vật liệu xốp
có cấu trúc phân cấp để cung cấp chuyển đổi và lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn. Vật liệu xốp
phân cấpứng dụng giải pháp trong lĩnh vực pin sạc. Độ dẫn điện có thể tăng vài. Hơn nữa,
carbon xốp thứ cấp cấu trúc nano với diện tích bề mặt cao như điện cực xúc tác choứng dụng
tế bào nhiên liệu hiện độ dẫn điện tốt, ổn định nhiệt. Ứng dụngvật liệu xốp của cấu trúc phân
cấp trong các tế bào quang điện cho thấy hiệu quả cao. Sự phân cấp vật liệu xốp cấu trúc phân
cấp có tiềm năng rất lớn trong giai đoạn hiện nay.
Tầm quan trọng của xây dựng hàm 3D lưu trữ năng lượng và chuyển đổi năng lượng đã được
xem xét bởi Rolison. [46] Chúng cho biết điện tử, ion thích hợp cho các thiết bị sản xuất, dự
trữ năng lượng có thể được thu thậptrong mật độ thấp và cấu trúc xốp nano 3D trên bench-top
cái mà có một diện tích bề mặt cao chophản ứng dị thể với một mạng lưới xốp liên tục và
phân cấp.

Hình 1: Mô hình minh họa của điện thế vào sự chuyển đổi và lưu trữ năng lượng vật liệu xốp
phân cấp.
Ở đây, các ứng dụng của hệ thống dọc cấu trúc xốp vật liệu trong chuyển đổi năng lượng và
lưu trữ (sơ đồ 1) được thảo luận. Sự tham gia của chúng trong việc chuyển đổi năng lượng,
chẳng hạn như trong quang hợp, sự sản xuất xúc tác quang H2, quang xúc tác,hoặc trong thuốc
17


nhuộm nhạy tế bào năng lượng mặt trời (DSSCs) và các tế bào nhiên liệu (FCs). Công nghệ
lưu trữ năng lượng như pin Li-ion, siêu tụ điện, lưu trữ hydro, và lưu trữ nhiệt lượng mặt trời
phát triển dựa trên các vật liệu xốp phân cấp.
2. Cấu trúc phân cấp vật liệu xốpcho chuyển đổi năng lượng
Chuyển đổi năng lượng liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng từmột hình thức khác, ví
dụ, ánh sáng mặt trời để hóa chất hoặcđiện, điện để tạo nhiệt vànăng lượng cơ khí, những hóa

chất tạo năng lượng nhiệt vàđiện. Ngày nay sự chuyển đổi năng lượng là một hình thức để
chúng ta có thể sử dụng năng lượng trực tiếp. Sự chuyển đổi năng lượnglà một chủ đề rất
nóng và cần thiếtcho sự phát triển của nhân loại. Chúng ta tập trung vào ánh sáng mặt trời để
chuyển đổihóa chất và điện và hóa chất để tạo điện. Đầu tiên sử dụng ánh sáng mặt trời là
nguồn năng lượng vàvật liệu xốp có cấu trúc phân cấp chẳng hạn như quang xúc tác, sản xuất
quang hóa H2, thuốc nhuộm nhạy tế bào mặt trời, quang hợp, và CO 2 chuyển đổi quang hóa
được mô tả. Sau đó, vật liệu xốp có cấu trúc phân cấp được sử dụng trong các tế bào nhiên
liệu (FCs).
2.1. Sự chuyển ánh sáng mặt từ hóa chất và điện
Mặt trời chiếu trái đất nhiều năng lượng trong một giờ hơncon người sử dụng trong một
năm. Nếu các nhà khoa học có thể chuyển đổi ngay cả một phần nhỏtrong đó thành một năng
lượng trực tiếp dùng được, nghiên cứu của chúng tôi nhiên liệu hóa thạch cho cuộc sống hàng
ngày và những vấn đề mà chúng gây racó thể kết thúc. Hóa học hoặc các hình thức khác của
năng lượng sẽ là các trò chơithay đổi nếu chúng có thể được thực hiện trực tiếp hiệu quả và
không tốn chi phí từ ánh sáng mặt trời. Những nỗ lực to lớn đã được dànhcho sự phát triển
của vật liệu và thiết bị cho việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời với các hóa chất thông qua
quang hợp và xúc tác quang và điện thông qua các tế bào năng lượng mặt trời.
2.1.1. Cấu trúc phân cấp vật liệu xốp cho việc nhận ánh sáng và sự nâng cao xúc tác
quang
Các lớp tạo thành một cấu trúc phân cấp (Hình 1) [47] có sự tham gia việc nhận ánh sáng hiệu
quả bởi một loạt cácquá trình tối ưu hóa: 1) ánh sáng tập trung bởi các tế bào sinh học, 2) Sự
tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong kiến trúc xốp tĩnh, 3) sự truyền ánh sáng trong các tế bào
hình cột trong nhu mô hoạt động như chỉ hướng ánh sáng, 4) tăng cường độ dài đường đi ánh
sáng hiệu quả và ánh sáng tán xạ bởi các tế bào diệp lục xốp, 5) nhận ánh sáng hiệu quả và
phân chia điện tích trong bề mặt 3D liên kết với nhau than lớp nano thylakoid trong lục lạp.
[4,5] Để hiểu rõ hơn và sử dụng tất cả các quá trình tự nhiên về hiệu quả để phát triển vật liệu
nhân tạo, "lá nhân tạo", mà có thể nhân rộng các quy trình tương tự, lá tự nhiên đã được sử
18

dụng bởi Zhang và các đồng nghiệp như mẫu sinh học để tái tạo tất cả các cấu trúc phân cấp
của lá bằng cách sử dụng một cấu trúc vô cơ tinh khiết TiO 2 với cùng phân cấp như lá bằng
một quy trình hai bước(Hình 2).

Hình 1: Ảnh SEM cho thấy cấu trúc phân cấp của lá sen. [47]

Hình 2: a) Ảnh SEM cắt ngan của AIL-TiO2
b) Ảnh TEM của cấu trúc lớp nano AIL1-TiO2, mô phỏng tương ứng cấu trúc 3D.
c) Ảnh TEM phóng to của cấu trúc lớp nano AIL1-TiO2
d) Ảnh TEM của phân tử nano Pt trên TO2. [4]
Nó bao gồm sự vận chuyển của tiền chất vô cơ và sau đó sự nung của mẫu sinh học. Tất cả
các quangsắc tố được thay thế bởi các chất xúc tác con người tạo ra nhưhạt nano Pt. Các bản
sao lá thu được với các thành phần chất xúc tác được sử dụng hiêu quả nhận ánh sáng và
quang hóa sản xuất hydro. [4] So với các hạt nano TiO2 chuẩn bị mà không mẫu sinh học,
cường độ hấp thụ trung bình trong phạm vi có thể nhìn thấy tăng 200-234% trong phạm vi có
thể nhìn thấy tăng 200-234% từ lá nhân tạo.Điều này chắc chắn sẽ góp phần các kiến trúc thứ

19


bậcvới tất cả các cấu trúc tốt của lá nhân tạo. Các hoạt tính quang xúc tác cao hơn nhiều so
với hạt nanoTiO2 thương mại.[4] Điều này sẽ được thảo luận chi tiết trong phần sau.
TiO2 đã được dự kiến sẽ là một trong những chất xúc tác quang tiềm năng quan trọng nhất cho
năng lượng hiện tại và môi trường mới, [48,49] nỗ lực đáng kể đã cải thiện hoạt tính quang
của TiO2 cấu trúc nano. Xúc tác quang TiO2 với cấu trúc phân cấp (Hình 3) đã được nhân rộng
thành công của Zhang và đồng nghiệp từ một cấu trúc phân cấp biotemplate sử dụng một
phương pháp sonochemical. [50] Các mẫu sinh học, lá tuyết tùng, lần đầu tiên được chiếu xạ
dưới sóng siêu âm trong TiCl4 và sau đó nung ở nhiệt độ từ 450 đến 600°C.

Hình 3. Ảnh FESEM phóng đại nhỏ và lớn của TiO2 4500C

Hình 4: a) ẢNh SEM của titan oxit khi nung hạt ở 350 0C và b) hoạt tính xúc tác (a) so sánh
với T350 chỉ cấu trúc trung bình (b) và xúc tác P25. [43a]
20


Các lần lặp tinh tế của mao quản trung bình cấu trúc phân cấp của mẫu sinh học trong TiO 2
xuống mức nanomet được khẳng định. Các hoạt động xúc tác quang học được đánh giá bằng
cách đo tỷ lệ suy giảm methylen xanh sử dụng UV-vis. Các bản sao thu được bằng cách nung
ở 450°C cho sự sao chép cấu trúc tốt nhất và diện tích bề mặt cao nhất 55 m2g-1 và do đó có
tính chất quang xúc tác tốt nhất.
Phương pháp này cung cấp một cách đơn giản, hiệu quả, và kỹ thuật linh hoạt trong việc chế
tạo TiO2 với gỗ tuyết tùng (lá tuyết tùng) - như cấu trúc phân cấp, và nó có tiềm năng được áp
dụng chocác hệ thống khác để sản xuất vật liệu phân cấp cho sensor và các thiết bị nano.
Vật liêu mao quản trung bình và vi mô titan đã được tổng hợp bởi nhóm Zhu, Cho thấy các
hoạt động xúc tác tăng từ 30-40% và 60-70% đối với khoáng hóa khí acetaldehyde và pha
lỏng phenol. [51] Sự cải thiện này là kết quả của sự khuếch tán nâng cao của các chất phản
ứng trong quang xúc tác, do các màng xốp thứ bậc trong vật liệu.Vai trò quan trọng của cấu
trúc mao quản trung bình và vi mô trong xúc tác quang thu nhận ánh sáng đã được tiết lộ bởi
các nhóm nghiên cứu khác nhau. [43-45,52-60]. Các điều kiện chuẩn bị, chẳng hạn như thời
gian tổng hợp và nhiệt độ ảnh hưởng đáng các hoạt động quang xúc tác của mao quản trung
bình và vi mô TiO2. Ví dụ, Yu và đồng nghiệp chuẩn bị hai mốt mao quản trung binh- vi mô
TiO2 bởi một quá trình tự hình thành trong sự hiện diện của hoạt động bề mặt (hình 4). [43a]
Ethylene suy giảm quang trong môi trường pha khí được sử dụng như là một phản ứng để
đánh giá phản ứng quang xúc tác của các chất xúc tác.
Các chất xúc tác, mà nung ở 350°C, có cấu trúc xốp trung bình- vi mô cho thấy hoạt tính xúc
tác quang cao hơn khoảng 60% so với P25 thương mại. Khi mẫu được nung ở 500°C, cấu trúc
xốp vi mô được giữ lại nhưng các cấu trúc vĩ mô một phần bị phá hủy. Nhiệt độ trên 600°C
phá hủy cả cấu trúc vi mô và vĩ mô, kèm theo sự giảm hoạt động xúc tác quang. Sự tồn tại của
rãnh vi mô tăng hiệu quả hấp thụ ánh sáng và cho phép khuếch tán về hiệu quả của các phân

tử khí đã được tìm thấy là nguồn gốc của xúc tác quang cao thực hiện nguyên vẹn TiO 2 vĩ mô
và vi mô. Thực tế, trong quang xúc vĩ mô-vi mô TiO2, các màng vi mô đã hoạt động như một
con đường ánh sáng truyền để cho biết sự cố truyền ánh sáng lên bề mặt bên trong của cấu
trúc vĩ mô TiO2. [43B] Điều này cho phép các sóng ánh sáng để xâm nhập sâu bên trong
quang xúc tác, làm cho nó nhận ánh sáng hiệu quả hơn. Được biết, một bước sóng 320 nm
được giảm đến 10% cường độ ban đầu của nó sau khi thâm nhập một khoảng cách chỉ có 8,5
μ m vào TiO2 đặc. Sự hiện diện của rãnh vĩ mô, tuy nhiên, làm cho nó có thể để thắp sáng
ngay cả những lõi hạt TiO 2 với sự phát xạ từ bốn nguồn UV xung quanh. Xét ánh sáng hấp
thụ, phản xạ, tán xạ và trong cấu trúc xốp phân cấp, các khu vực ánh sáng kích hoạt hiệu quả
21


bề mặt có thể được nâng cao. Hơn nữa, các hạt nano TiO 2 kết nối với nhau trong các màng vĩ
mô có thể cho phép đánh giá cao về hiệu quả vận chuyển điện tử thông qua các màng vĩ mô.
Một nghiên cứu khác của Yu và đồng nghiệp cho thấy tác dụng tương tự của tầm quan trọng
của sự hiện diện của rãnh vĩ mô trong cấu trúc xốp phân cấp. [52] Họ nhận thấy rằng các xốp
vĩ mô- vi mô TiO2 nung khô dưới 300°C cho thấy hoạt tính quang tối đa cho quá trình oxy
hóa của acetone trong pha khí (khoảng gấp đôi Degussa P25). Các hoạt tính sau đó giảm khi
nung nhiệt độ tăng lên, do sự phá hủy của các cấu truc xốp vi mô, và suy giảm diện tích bề
mặt.Hiệu quả mang lại lợi ích và tầm quan trọng của việc phân cấpđộ xốp xúc tác quang TiO 2
cải thiện thu nhận ánh sángcũng đã được xác nhận bởi Ayral và đồng nghiệp, người học TiO 2
anatase với ba mức độ xốp: vĩ mô, trung bình, và vi mô. [45] Việc xác nhận thêm về vai trò
của rãnh vĩ mô được cung cấp bởi Su et al. Trong nghiên cứu của họ, khác nhau xốp, không
xốp, và cấu trúc xốp trung bình- vĩ mô phân cấp được so sánh. Việc tăng cườngcác hoạt tính
xúc tác quang học có thể được quy cho cả các hoạt động của màng vĩ mô như hiệu ứng
khuếch tán dễ dàngcủa các phân tử hữu cơ trong các cấu trúc phân cấp xốp. [43B]. Một
nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi cùng một nhóm cung cấp bằng chứng mới. [53] Hoạt
động của màng vĩ mô như con đường truyền ánh sáng lên bề mặt bên trong của xốp trung
bình TiO2 là khá hữu ích trong việc thiết kế của DSSCs và thiết bị điện hóa khác. Việc áp
dụng cấu trúc xốp TiO2 trong DSSCs có thể cung cấp những cải tiến quan trọngtrong thu nhận

ánh sáng, tính hiệu quả DSSCs . Hơn nữa nghiên cứu theo hướng này cần được cải thiện.
Chúng tôi sẽ thảo luận về các tầm quan trọng của mang vĩ mô như nhận ánh sáng trong phần
liên quan đến DSSCs.
Để cải thiện hơn nữa xúc tác quang của cấu trúc xốpTiO 2, một số chiến lược dựa trên quan
niệm vật lý và hóa học đã được thông qua. Một mặt, kim loại doping TiO 2 cấu trúc xốp đã
được cho là một cách tốt để tăng cường hoạt động xúc tác quang. [61,62] Sự hiện diện của hạt
nano kim loại có thể hoạt động như một vùng electron và làm giảm thời gian sống chuyển
động của các electron photogenerated. [63]
Các electron này sau đó được chuyển giao cho các loại oxy hóa cao để hình thành các gốc oxy
phản ứng có thể phân hủy các hóa chất.[64,65] Như việc tách các electron photogenerated
và lỗ trống tăng, các hoạt tính quang xúc tác là tăng đáng kể sau khi đưakim loại NPs vào và
do đó hiệu suất lượng tử đã được cải thiện. [66-72] Ví dụ, Zhang và đồng nghiệptổng hợp
Pt/N-TiO2 cấu trúc xốp phân cấpsử dụng các lá bình thường như mẫu sinh học. Các kết quả
thu được cho thấy cải thiện quang xúc tác hydro. [5]

22


Nhóm của Ozin dùng bó nano Pt làm thay đổi TiO 2, Opal nghịch đảo để tăng cường sự suy
giảm quang của axit cam. Bởi kết hợp bó nano Pt trên bề mặt của opal nghịch, nhiều ánh sáng
được hấp thụ và thời gian sống của các tia cực tím tạo electron và lỗ trống được mở rộng bởi
vì các sức mạnh tổng hợp của chậm photon khuếch đại quang học với sự nâng cao hóa học.
[57]
Tuy nhiên, các cation gây ra cũng có thể hoạt động như tái tổ hợptrung tâm và do đó cải thiện
hoạt động chỉ có thểở nồng độ thấp của dopants. [62,73,74]. Mặt khác, các nguyên tố doping
xốp phân cấp khácTiO2cho rằng làm tăng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. [75,76]
Hiện nay, hứa hẹncon đường có thểthay thế một phần của oxy với B, C, N, M, S, và codoping
của các yếu tố trên. [75-79]. Nguồn gốc của photoresponse này ở bước sóng cao hơn là sự
pha trộn của các cấp 2p N các orbital 2p oxy để tạo thành dải hóa trị, mà kết quả trong một
bandgap thấp hơn dẫn đến sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. [80]

Ví dụ, Xu và đồng nghiệp báo cáo một tuyến đường mới đơn giản để tổng hợp của NF
codoped phân cấp xốp trung bình- vi mô TiO 2. [78] Gần đây nhất, Zhang và các đồng nghiệp
sử dụng
vật liệu hệ thống mẫu sinh học để chế tạo N hoặc P tự doping phân cấp xốp cấu trúc TiO 2.
[5,81,82]
Ví dụ như, sản phẩm doping N morph-TiO2 có được từ những lá khác nhau. Cho thấy cường
độ hấp thụ tăng 103-258%trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy vì tự doping của Nvà do đó hoạt
tính quang xúc tác cao hơncủa một số chất xúc tác quang bình thường, chẳng hạn như
Degussa P25, dướichiếu xạ UV. [5] Tổng hợp biogenic-TiO2 với tảo như mẫu sinh học giảm
hoạt tính xúc tác quang xanh methylen dưới UV khả kiến. [81]
Hơn nữa, chúng đều sử dụng giống cây trồng như khuôn mẫu để tổng hợp N-Pcodopingphân
cấp xốp TiO2, chứng minh tăng cườngnhận ánh sáng và tính chất quang xúc tác.
Phương pháp này không chỉ cho phép các khoáng hoá của giống cây trồng còn dẫn đến N và P
chứa trong hạt giống cây trồng ban đầu làđồng thời tự doping vào mạng TiO2. [82]
Ngoài ra việc thêm vào TiO2, phương pháp tự doping cũng có thể được áp dụng cho oxit kim
loại khác, chẳng hạn như ZnO, In2O3, CeO2, vv. Tăng cườnghoạt tính quang là một kết quả
của sự phối hợp giữa cấu trúc và thành phần của chúng.Ngoài ra, nguyên tố doping, kết hợp
với việc nhận và chuyển electron vật liệu, chẳng hạn như ống nano carbonvà graphene, cũng
là một con đường rất hữu ích nâng cao cho xúc tác quang. [79,83,84]
Doping Graphene phân cấp cho thấy ảnh meso-macroporous TiO 2 đã được tạo ra thông qua
một phương pháp giam tự lắp ráp trong thường xuyênrỗng trong tinh thể dạng keo với chu kỳ
23


3D bởi nhóm Jiang’.[79] Sự tăng cường hoạt tính xúc tác quang cho việc giảm methyl xanh
đã đạt được. Hằng số tỉ lệ cho ảnh titanic mao quản trung bình- vi mô không có graphene là
lên đến 0,071 và 0,045 min-1, tương ứng, cao hơn 17 và 11 lần so với thời gian cho titanic
mao quản trung bình tinh khiết (0,0041 min - 1 ). Kết hợp mao quản trung bình với nhau liên
kết với nhau trong ảnh cải thiện vận chuyển khối thông qua ảnh, làm giảm chiều dài của màng
xốp trung bình, và làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của màng mỏng, trong khi sự ra đời của

graphene có hiệu quả ngăn chặn sự tái tổ hợp. Hơn nữa, doping với các chất bán dẫn khác là
một phương pháp sử dụng rộng rãi để cải thiện hoạt tính quang của titanic xốp phân cấp. Nếu
bandgaps electron của các nguyên vật liệu cặp đôi tốt, các hạt mang điện trở nên tách biệt khi
và do đó tỷ lệ tái tổ hợp giảm rất nhiều. [85-87] Ví dụ, hợp chất nanocompositesTiO2 / SiO2
và TiO2 / ZrO2 đã được tổng hợp.[44] Các kết quả xốp nanocomposites TiO2 không chỉ tính
năng tăng cường tính kết cấu và cải thiệnổn định nhiệt, mà cũng cho thấy một sự cải tiến
trong hoạt tính quang xúc táctrên TiO2 tinh khiết. Sự thêm vào các nhóm chức phụ được cải
thiện bề mặtaxit và liên kết vào các cấu trúc xốp. Các tính chất meso-macroporous thuận lợi
về kết cấu, cùng vớicải thiện chức năng bề mặt, đóng góp vào hoạt tính quang xúc tác caoở
nhiệt độ cao. Một lần nữa,các màng vĩ mô đã hoạt động như một con đường ánh sáng truyền
đưa photon lên bề mặt bên trong của mao quản trung bình TiO 2. Điều này cho phép các sóng
ánh sáng xâm nhập sâu bên trong quang xúc tác, làm cho nó nhận ánh sáng hiệu quả hơn, có
hoạt tính quang cao hơn. Hợp chất phân cấp xốpTiO 2-SiO2 -TeO2 /Al2 O3/TiO2 tăng cường
hiệu suất quang xúc tác bằng việc phân tích khí acetaldehyde dưới chiếu sáng UVvì sự kết
hợp của một diện tích bề mặt lớn,trạng thái xốp cao cao. [88] Đặc biệt, tổng hợpvới 120 nm lỗ
nung ở 500°C cho thấy hoạt tính quang cao nhất, cao hơn so với P25 thương mại 6-10 lần
theo các điều kiện thử nghiệm. Mặc dù hơn một nửa trong số các nghiên cứu được công bố
tập trung vàovật liệuxốp phân cấpTiO2 dựa trên xúc tác quang,chuẩn bị xúc tác quang phân
cấp khác,như ZnO, WO3, CeO2, In2O3, và kiềm thổ vật liệu titanate, cũng đã nhận được sự
chú ý. [82,89-95]Lee và đồng nghiệp tổng hợp xốp phân cấp Bi 2WO6 microspheresthông qua
các phương pháp phun nhiệt phân siêu âm. [91]
Dãi năng lượng bandgap của mặt cầu vi mô Bi 2WO6 là 2,92 eV.Nó đã được tìm thấy rằng
nhiệt độ tổng hợp là một điều quan trọng kiểm soát hình thái của Bi2WO6 mặt cầu vi mô.
So với số lượng lớn mẫu Bi2WO6, phân cấp xốp Bi2WO6 chứng minh vượt trội
hoạt động quang xúc tác vào việc loại bỏ NO dưới ánh sáng khả kiến hoặc bức xạ mặt trời. Tỉ
lệ loại bỏ NO cao nhất là 110 và 27 ppb/phút đối với mẫu xốp Bi 2W6 dưới ánh sáng mặt trời
và ánh sáng khả kiến (λ> 400 nm). Wei và đồng nghiệp đã chế tạo xốp phân cấp đa tinh thể
24

ZnO-Al2O3, khung dosử dụng cây họ đậu như một mẫu sinh học. Khung đa tinh thể ZnOAl2O3 nàyđã được chứng minh một cách hiệu quả là có thể tái chế quang xúc tác cho sự phân
hủy của thuốc nhuộm trong nước, do diện tích bề mặt khá cao của nó và phân phối kích thước
mao quản (bao gồm cả mao quản trung bình và vĩ mô). [95] Việc sử dụng cấu trúc TiO 2
nghịch opal với mao quản vĩ mô và trung bình đã trở thành một tiêu điểm quan trọng nghiên
cứu gần đây trong lĩnh vực của xúc tác quang. Su vàđồng nghiệp tổng cấu trúc xốp phân cấp
TiO2 nghịch opal cho thấy hoạt tính quang xúc tác tăng cường rất nhiều. [53]
Sordello và đồng nghiệp cũng cho biết rằnghoạt tính của xúc tác quang ngịch opal TiO 2 chủ
yếu từ các cấu trúc hơn là thành phần. [59] Zhao và đồng nghiệp chế tạoTiO2 opal nghịch
thông qua vận chuyển một kẹp-chân không của titanic tiền chất. Sự tổng hợp vật liệu cho
thấyhoạt tính quang cao với sự giảm của axit benzoicso với các hạt nano TiO 2. [60] Ozin et al.
chứng minh rõ ràngrằng phản ứng quang hóa mở rộng có thể xảy rasử dụng opal nghịchTiO2.
Họ chỉ ra rằng sự mở rộng nàyđã được quy cho thuộc tính chậm photon. Trong thực tế, opal
nghịch trật tựnhư tinh thể photnic và do đócó một sự tương phản số chu kì kỳđiện môi ánh
sáng có bước sóng dài.Nhiễu xạ Bragg với năng lượng nhất định thông qua các vật liệu
theomột hướng tinh thể đặc biệt. Điều này đưa đến dãi bức xạ dừng và dãi năng lượng được
bức xạ lạiphụ thuộc vào chu kỳ và hằng số điện môi tinh thể photnic. Ở các cạnh tần số của
các daĩ dừng, các photon truyền với vận tốc nhóm giảm mạnh, do đó, chúng gọi là photon
chậm. Photon chậm có thể được quan sát trong chu kỳ cấu trúc photonic ở mức năng lượng
chỉ ở trên và dưới dãi dừng lượng tử. Nếu năng lượng của các photon chậm trùng lặp với độ
hấp thụ của vật liệu, sau đó việc nâng cao của hấp thụ có thể được mong đợi như một kết quả
của việc tăng hiệu quả chiều dài đường quang. [55-57].Công việc của Ozin et al, tiết lộ rằng
hoạt tính quang có thể được tăng cường đáng kể bằng cách sử dụng photon chậm với năng
lượng gần với bandgap chất chất bán dẫn. [55-57] Các nghiên cứu sử dụng các hiệu ứng
photon chậm trên cơ sở của các tinh thể photonic để cải thiện hoạt tính quang bằng cách tăng
cường sự hấp thụ ánh sáng có thể là một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Các
tác dụng photon chậm có thể được áp dụng cho tất cả các lĩnh vực liên quan đến sự hấp thụ
ánh sáng ví dụ pin mặt trời. Hiệu quả này sẽ tiếp tục được thảo luận trong sau phần để cải
thiện thực hiện DSSCs.
2.1.2. Cấu trúc phân cấp vật liệu xốp cho sự sản xuất quang hóa H 2
Hydro đã được coi là nguồn năng lượng sạch vì không có phát thải chất gây ô nhiễm. Phân ly

của nước để sản xuất hydro đã thu được chú ý hơn vì các cuộc khủng hoảng năng lượng. Tuy

25