đồ án xúc tác quang TI02 fe

MỞ ĐẦU
Titan đioxit (TiO2) được biết đến là chất xúc tác bán dẫn. Bột TiO 2 với kích thước cỡ
µm đã được điều chế ở quy mô công nghiệp và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau: làm chất độn trong cao su, nhựa, giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men
đồ gốm, sứ…. Gần đây, bột TiO2 tinh thể kích thước nm ở các dạng thù hình rutile,
anatase, hoặc hỗn hợp rutile và anatase, và brookite đã được nghiên cứu ứng dụng vào các
lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nước và làm vật liệu quang xúc tác tổng hợp các
hợp chất hữu cơ, xử lý môi trường chế sơn tự làm sạch, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm
biến và trong lĩnh vực diệt khuẩn. Các ứng dụng mới của vật liệu TiO2 kích thước nm chủ
yếu dựa vào tính chất bán dẫn của nó. Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và
không độc, vật liệu TiO2 được cho là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn
đề môi trường nghiêm trọng và thách thức từ sự ô nhiễm.
Tuy nhiên do dãi - trống của titan đioxit khá lớn (3,25 eV đối với anatase và 3,05 eV
đối với rutile) nên chỉ ánh sáng tử ngoại với bước sóng < 380 nm mới kích thích được
điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và gây ra hiện tượng quang xúc tác. Điều này hạn chế
khả năng quang xúc tác của titan đioxit, làm giảm phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Để
sử dụng được ánh sáng mặt trời vào quá trình quang xúc tác của titan đioxit, cần thu hẹp
dải trống của nó. Để thực hiện mục đích này nhiều ion kim loại và không kim loại đã
được sử dụng để biến tính hoặc kích hoạt (doping) các thù hình của titan đioxit. Có thể
thực hiện biến tính cấu trúc của titan đioxit bằng các phương pháp sol – gel, thủy nhiệt,
đồng kết tủa… hoặc biến tính bề mặt với các phương pháp tẩm, nhúng, phun, hấp phụ…
Với mong muốn tạo ra loại xúc tác quang mới cá khả năng hấp thu ánh sáng mở
rộng ra vùng ánh sáng nhìn thấy được, có giá thành thấp có thể ứng dụng rộng rãi, chúng
tôi đã lựa chọn và tiến hành nghiên cứu, khảo sát dùng Sắt biến tính TiO 2 bằng phương
pháp đồng kết tủa.
Mục đích chính của đề tài gồm hai nội dung:
1. Chế tạo ra hệ xúc tác titan oxit – sắt nano bằng phương pháp đồng kết tủa để nâng
cao hoạt tính xúc tác quang ở vùng ánh sáng khả kiến.


2. Đánh giá hoạt tính xúc tác điều chế được thông qua phản ứng phân hủy

methylene blue.
Hy vọng đề tài này sẽ mang đến những thông tin khoa học bổ ích.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ TITAN ĐIÔXIT (TiO2)
1.1.1. Cấu trúc của titan đioxit
Titan đioxit là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại
màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (Tnc0 = 18700C).
Cấu trúc thực tế của TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba
dạng tinh thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic). Cả ba
dạng tinh thể này đều có chung một công thức hóa học TiO 2, tuy nhiên cấu trúc tinh thể
của chúng là khác nhau. (Hình 1).

Dạng anatase
Dạng rutile
Dạng brookite
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi ion
Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công
thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng.
Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO 2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ
có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp.
Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các
đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO 6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung.
Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2Hình 1.2: Hình khối bát diện của TiO2.
Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng
của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra. Hình tám mặt trong rutile là

không đồng đều do đó có sự biến dạng orthorhombic (hệ trực thoi) yếu. Các octahedra
của anatase bị biến dạng mạnh hơn, vì vậy mức đối xứng của hệ là thấp hơn hệ trực thoi.
Độ dài liên kết Ti – Ti trong anatase (3,79; 3,04A 0) dài hơn so với rutile (3,57; 2,96 A0),
trong khi đó độ dài liên kết Ti – O thì ngược lại (1,934; 1,980 A 0 đối với anatase và
1,949; 1,980 A0 đối với rutile). Trong cả ba dạng tinh thể thù hình của TiO2 các octahedra
được nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh. Pha rutile có độ xếp chặt cao nhất so với hai
pha còn lại, các khối bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh, hai khôi bát diện đứng cạnh
nhau chia sẻ hai cạnh chung và tạo thành chuỗi, pha rutile có khối lượng riêng 4,2 g/cm 3.
Với pha anatase, các khối bát diện tiếp xúc cạnh với nhau, có khối lượng riêng là 3,9
g/cm3. (hình1 và hình 2).
Những sự khác nhau trong cấu trúc mạng lưới dẫn đến sự khác nhau về mật độ
điện tử giữa hai dạng thù hình rutile và anatase của TiO 2 và đây là nguyên nhân của một
số sự khác biệt về tính chất giữa chúng. Tính chất và ứng dụng của TiO 2 phụ thuộc rất
nhiều vào cấu trúc tinh thể các dạng thù hình và kích thước hạt của các dạng thù hình này.
Chính vì vậy khi điều chế TiO2 cho mục đích ứng dụng thực tế cụ thể người ta thường
quan tâm đến kích thước, diện tích bề mặt và cấu trúc tinh thể của sản phẩm.
1.1.2 Tính chất vật lý
TiO2 có màu trắng, thường ở dạng bột, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 1800 0C, khi
nung trên 10000C áp suất riêng phần gia tăng vì oxy được giải phóng và tạo ra các oxit
bậc thấp và các oxit trung gian, dẫn đến sự thay đổi màu sắc và độ dẫn điện riêng.
Trong các dạng thù hình của TiO2 thì Rutile có tỉ khối cao nhất và cấu trúc đặc nhất,
có độ cứng cao 6.5 – 7.0, Anatase có độ cứng thấp hơn 5.5 – 6.0.
Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của TiO2 Anatase và Rutile


Lý tính
Nhiệt độ nóng chảy ( 0C)
Tỷ trọng ( g/cm3)
Độ cứng ( Mohs)
Chỉ số khúc xạ

Hằng số điện môi
Nhiệt dung riêng
1.1.3. Tính chất hóa học

Anatase
1800
3.84
5.5 – 6.0
2.52
31
12.96

Rutile
1870
4.2
6.0 – 7.0
2.71
114
13.2

TiO2 là một hợp chất khá trơ về mặt hóa học, không tác dụng với nước, dung dịch
loãng của axit và kiềm ( trừ HF). TiO2 chỉ tác dụng với kiềm nóng chảy và tác dụng với
các axit vô cơ nhưng rất khó.
Phản ứng giữa TiO2 với kiềm nóng chảy:
TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3 + H2O
Phản ứng xảy ra nhanh, tỏa nhiệt lớn, H 2O ngay sau khi sinh ra trong phản ứng lập
tức sôi và bay hơi.
Phản ứng với H2SO4 đặc nóng:
TiO2 + H2SO4 = H2[TiO(SO4)2] + H2O
Tuy nhiên phản ứng xảy ra với hiệu suất rất thấp. Khi dư ion SO 42- sản phẩm sẽ

chuyển về dạng Ti2(SO4)3 bền. Điều này xảy ra tương tự khi TiO2 tác dụng với axit HCl.
TiO2 tác dụng với HF:
TiO2 + HF = H2TiF6 + H2O
TiO2 tác dụng với NaHSO4 hoặc KHSO4:
TiO2 + NaHSO4 = Ti(SO4)2 + Na2SO4 + 2H2O
Các oxit, hydroxit của Ti(IV) có tính lưỡng tính, nhưng không biểu lộ rõ tính axit
hoặc bazơ.
Tính bazơ yếu của TiO2 thể hiện ở chỗ chúng chỉ tan được trong dung dịch axit đậm
đặc.
Tính axit, bazơ yếu là nguyên nhân dẫn đến sự thủy phân mạnh của các titanat và
titanyl trong dung dịch nước:
TiOSO4 + H2O = Ti(OH)4 + H2SO4
TiOCl2 + H2O = Ti(OH)4 + 2HCl


NaTiO3 + H2O = Ti(OH)4 + 2NaOH
Sản phẩm của phản ứng thủy phân này là axit meta titanic, một hợp chất có cấu trúc
polymer, thành phần và tính chất của nó biến đổi trong khoảng rộng tùy thuộc vào điều
kiện thủy phân. Axit α-titanic tạo thành khi phản ứng ở nhiệt độ thấp, dễ tan trong các axit
vô cơ. Axit β-titanic tạo thành khi để lâu hay tiến hành thủy phân ở nhiệt độ cao, dạng axit
này không tan trong axit loãng ngay cả khi đun nóng.
Phản ứng thủy phân của các hợp chất Ti(IV) này là cơ sở để điều chế TiO 2, khảo sát
hiệu suất phản ứng, các điều kiện tiến hành phản ứng.
1.1.4 Tính chất quang xúc tác
Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời. Trong hoá học nó dùng để nói đến
những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác, hay nói
cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.
Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và có
sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Bằng
cách như vậy, chất xúc tác quang làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa, cụ thể là tạo ra

một loạt quy trình giống như phản ứng oxy hoá - khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp
có khả năng oxy hoá - khử mạnh khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp.
Cấu trúc điện tử của chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang xúc
tác. Không giống như một chất dẫn điện, một chất bán dẫn bao gồm vùng dẫn (CB Conduction Band) và vùng hóa trị (VB - Valence Band). Năng lượng khác biệt giữa hai
mức này được gọi là năng lượng vùng cấm (Eg). Nếu không có sự kích thích, điện tử lấp
đầy vùng hóa trị, còn vùng dẫn trống. Khi chất bán dẫn được kích thích bởi các photon
với năng lượng bằng hoặc cao hơn mức năng lượng vùng cấm, các điện tử nhận được
năng lượng từ các photon sẽ chuyển dời từ vùng VB lên CB. Đối với chất bán dẫn TiO2,
quá trình được thể hiện như sau:

TiO2 ở dạng anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh thể khác,
điều này được giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lượng. Như chúng ta đã biết, trong
cấu trúc của chất rắn có ba vùng năng lượng là vùng hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn. Tất


cả các hiện tượng hóa học xảy ra đều là do sự dịch chuyển electron giữa các vùng với
nhau. Anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2 eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng
có bước sóng 388 nm. Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương với một
lượng tử ánh sáng có bước sóng λ = 413 nm. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile
được chỉ ra như hình 1.3.
Vùng hóa trị của anatase và rutile như chỉ ra trên giản đồ là xấp xỉ bằng nhau và
cũng rất dương, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxy hóa mạnh. Khi được kích
thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết,
chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các
electron khác có thể nhảy vào vị trí này để bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một
lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Như vậy lỗ trống mang điện tích dương có
thể tự do chuyển động trong vùng hóa trị.

Hình 1.3. Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile.

Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxy hóa nước thành nhóm
OH (OH*), cũng như một số gốc hữu cơ khác:
TiO2(h+) + H2O

OH* + H+ + TiO2

Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế chuẩn là
0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một thế khử


mạnh hơn. Theo như giản đồ thì anatase có khả năng khử O 2 thành O2- , như vậy là ở
anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2-.
TiO2(e-) + O2

TiO2 + O2-

Điều này được minh họa bằng hình 1.4.

Hình 1.4. Sự hình thành gốc OH* và O2-.
Chính các gốc OH* và O2- với vai trò quan trọng ngang nhau có khả năng phân hủy
các hợp chất hữu cơ thành H2O và CO2.
Khi TiO2 ở dạng tinh thể anatase được hoạt hóa bởi ánh sáng có bước sóng (λ) thích
hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tại vùng hóa trị có sự hình
thành các gốc OH* và RX+.
TiO2(h+) + H2O

OH* + H+ + TiO2

TiO2(h+) + OH-

OH* + TiO2

TiO2(h+) + RX

RX+ + TiO2

Tại vùng dẫn có sự hình thành của các gốc O2- và HO2*:
TiO2(e-) + O2
O2 - + H +
2HO2*

O2- + TiO2

HO2*
H2 O2 + O 2

TiO2(e-) + H2O2
H2 O2 + O 2

HO* + HO- + TiO2

O2 + HO* + HO-

Vậy sự khác biệt là do dạng anatase có khả năng khử O 2 thành O2- còn rutile thì
không. Do đó anatase có khả năng nhận đồng thời oxy và hơi nước từ không khí cùng ánh


sáng tử ngoại để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể anatase dưới tác dụng của ánh
sáng tử ngoại đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ H 2O sang O2, chuyển
hai chất này thành dạng O 2- và OH* là hai dạng có hoạt tính oxy hóa cao có khả năng

phân hủy chất hữu cơ thành H2O và CO2.
Như vậy khi TiO2 anatase được chiếu sáng với photon có năng lượng lớn hơn năng
lượng Eg sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống linh động. Trong khí quyển có rất nhiều hơi nước,
oxy; mà thế oxy hoá - khử của nước và oxy thoả mãn yêu cầu trên nên nước đóng vai trò
là chất cho và khí oxy đóng vai trò là chất nhận để tạo ra các chất mới có tính oxy hoá khử mạnh (OH* và O2-) có thể oxy hoá hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật
liệu.
1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quang xúc tác
1.1.5.1 Sự tái kết hợp lỗ trống và electron
Quá trình hình thành HO* luôn gắn liền với quá trình hình thành h +vb và e-cb. Quá
trình tái kết hợp h+vb và e-cb diễn ra với tốc độ rất lớn. Vì thế lượng HO * được tạo thành
cũng giảm đáng kể theo thời gian, ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình quang xúc tác.
Sự tái kết hợp h+vb và e-cb có thể xảy ra bên trong khối hoặc trên bề mặt chất quang
xúc tác, có thể có hoặc không có phát ra bức xạ.
Có thể biểu diễn các phản ứng tái kết hợp h+vb và e-cb như sau:
h+vb + e-cb → bức xạ hoặc nhiệt
Cho nên làm hạn chế quá trình tái kết hợp của h +vb và e-cb là một trong những phương
pháp nâng cao hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO 2. Ta có thể sử dụng một số biện pháp
sau đây:
- Làm giảm kích thước hạt.
- Chọn tỉ lệ Anatas/Rutile thích hợp.
- Sử dụng một số kim loại để đưa vào mạng tinh thể TiO2 để tạo trung tâm bẫy e-cb.
1.1.5.2 Sự hạn chế của bề rộng vùng cấm
Pha Anatase của TiO2 có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng cấu trúc tinh thể khác
của TiO2. Tuy nhiên, năng lượng vùng cấm của nó quá cao ( E g = 3.2eV ), có nghĩa là chỉ
có tia UV mới đủ năng lượng có thể kích thích electron nhảy từ vùng hóa trị trong vùng


dẫn. Vì thế, để quá trình quang xúc tác đạt hiệu quả cao cần phải tìm cách làm giảm năng
lượng vùng cấm của Anatase.
1.1.6. Các ứng dụng khác của vật liệu TiO2

1.1.6.1. Ứng dụng làm xúc tác quang xử lý môi trường
TiO2 được đánh giá là chất xúc tác quang hóa thân thiện với môi trường và hiệu quả
nhất, nó được sử dụng rộng rãi nhất cho quá trình quang phân hủy các chất ô nhiễm khác
nhau. Chất quang xúc tác TiO2 còn có thể được sử dụng để diệt khuẩn, như đã tiến hành
tiêu diệt vi khuẩn E.Coli. Do có khả năng oxi hóa mạnh nên TiO2 đã được chiếu xạ,
thường được dùng để loại bỏ các tế bào u trong quá trình chữa trị ung thư. Bản chất phản
ứng quang xúc tác của chất bán dẫn không phức tạp. Nhờ vào sự hấp thụ các photon có
năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của TiO2 mà các electron bị kích thích từ VB
lên CB, tạo các cặp electron - lỗ trống. Các phần tử mang điện tích này sẽ di chuyển ra bề
mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản
ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các
gốc tự do hoạt động để tiếp tục oxi hóa các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất
xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước ít độc hại nhất. Quá trình quang
phân hủy này thường bao gồm một hoặc nhiều gốc hoặc các phần tử trung gian như *OH,
O2-, H2O2, hoặc O2, cùng đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng quang xúc tác.
1.1.6.2. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch
TiO2 còn được sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, tên chính xác của loại này là
sơn quang xúc tác TiO2. Thực chất sơn là một dạng dung dịch chứa vô số các tinh thể
TiO2 cỡ chừng 8  25nm. Do tinh thể TiO2 có thể lơ lửng trong dung dịch mà không lắng
đọng nên còn được gọi là sơn huyền phù TiO2. Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn
sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt.
Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên như sau: Sau khi các vật liệu được đưa vào sử
dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong không khí,
TiO2 sẽ hoạt động như một chất xúc tác để phân huỷ bụi, rêu, mốc, khí độc hại, hầu hết
các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2. TiO2 không bị tiêu hao trong
thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác không tham gia vào quá trình phân huỷ.


Cơ chế của hiện tượng này có liên quan đến sự quang - oxi hoá các chất gây ô nhiễm
trong nước bởi TiO2. Các chất hữu cơ béo, rêu, mốc,... bám chặt vào sơn có thể bị oxi hoá

bằng cặp điện tử - lỗ trống được hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và
như vậy chúng được làm sạch khỏi màng sơn. Điều gây ngạc nhiên là chính lớp sơn
không bị tấn công bởi các cặp oxi hoá - khử mạnh mẽ này. Người ta phát hiện ra rằng,
chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không được biến tính bằng các hạt nano TiO2.
1.1.6.3. Xử lý các ion kim loại nặng trong nước
Khi TiO2 bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp giải phóng các điện tử hoạt động. Các
ion kim loại nặng sẽ bị khử bởi điện tử và kết tủa trên bề mặt vật liệu. Vật liệu bán dẫn
quang xúc tác, công nghệ mới hứa hẹn được áp dụng nhiều trong xử lý môi trường. Chất
bán dẫn kết hợp với ánh sáng UV đã được dùng để loại các ion kim loại nặng và các hợp
chất chứa ion vô cơ. Ion bị khử đến trạng thái ít độc hơn hoặc kim loại từ đó dễ dàng tách
được. Ví dụ:
2hν + TiO2 → 2e + 2h+
Hg2+(aq) ↔ Hg(ads) ( Bị hấp phụ lên bề mặt vật liệu)
Hg2+(ads) + 2e → Hg(ads)
2H2O ↔ 2H+ + 2OH2OH- + 2h+ → H2O + 1/2 O2
...
Rất nhiều ion kim loại nhạy với sự chuyển quang hóa trên bề mặt chất bán dẫn như
là Au, Pt, Pd, Ag, Ir, Rh... Đa số chúng đều kết tủa trên bề mặt vật liệu. Ngoài sự khử
bằng điện tử, các ion còn bị oxi hóa bởi lỗ trống trên bề mặt tạo oxit. Những chất kết tủa
hoặc hấp phụ trên bề mặt được tách ra bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học.
1.1.6.4 Phân hủy nước tạo hydro
Nhu cầu về năng lượng của con người ngày càng cao, việc tìm ra nguồn năng lượng
mới thay thế cho các nguồn năng lượng từ hóa thạch đang dần cạn kiệt là một yêu cầu cấp
thiết, nguồn năng lượng này phải đáp ứng yêu cầu sạch và an toàn.
Hydro khi cháy tạo ra sản phẩm duy nhất là nước, không sinh ra khí độc, nguyên
liệu để sản xuất hydro là nước và ánh sáng Mặt Trời là tài nguyên vô tận của thiên nhiên.


Vì thế, hydro được xem là nguồn năng lượng sạch, an toàn để thay thế các nguồn năng
lượng từ hóa thạch như hiện nay.

Hydro được sản xuất bằng hai cách: điện phân nước bằng năng lượng Mặt Trời
thông qua các pin Mặt Trời và điện hóa học phân hủy nước nhờ vào bức xạ Mặt Trời khi
có mặt của xúc tác quang. Trong đó, phương pháp điện hóa học phân hủy nước sử dụng
điện cực xúc tác quang Anod chính là TiO2.
Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng năng lượng Mặt Trời để sản xuất hidro bằng quang xúc
tác TiO2 vẫn còn thấp vì các nguyên nhân sau:
- Sự tái tổ hợp của cặp điện tử e-cb và lỗ trống h+vb.
- Xảy ra phản ứng ngược (sự tái tổ hợp của hydro và oxy trong nước).
- Chỉ có tia UV mới được sử dụng để sản xuất hydro.
Giá thành sản phẩm tạo thành cũng là một hạn chế của phương pháp này.
1.1.6.5. Một số ứng dụng khác
TiO2 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Vật liệu gốm, chất tạo màu,
chất độn, làm vật liệu chế tạo pin mặt trời, làm sensor để nhận biết các khí trong môi
trường ô nhiễm nặng, trong sản xuất bồn rửa tự làm sạch bề mặt trong nước (tự xử lý mà
không cần hoá chất), làm vật liệu sơn trắng do khả năng tán xạ ánh sáng cao, bảo vệ bề
mặt khỏi tác động của ánh sáng. Sử dụng TiO2 tạo màng lọc quang xúc tác trong máy làm
sạch không khí, máy điều hoà, v.v...
1.1.7 Phương pháp chế tạo
Vì năng lượng vùng cấm của TiO2 quá cao dẫn đến hiệu quả của phản ứng quang
hóa không cao, không có nhiều ý nghĩa trong ứng dụng thực tế. Để mở rộng vùng ánh
sáng hấp phụ của TiO2, nâng cao hiệu quả xúc tác quang hóa, người ta tiến hành biến tính
TiO2 để cấy các ion kim loại vào mạng tinh thể bằng nhiều phương pháp khác nhau: tẩm,
sol gel, đồng kết tủa,…
Mỗi nguyên tố khác nhau có vai trò và ảnh hưởng khác nhau đến hoạt tính của xúc
tác. Khi kết hợp chúng lại với nhau có thể làm tăng hoặc giảm hoạt tính của hệ xúc tác.
1.1.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của chất xúc tác quang TiO2
1.1.8.1 Ảnh hưởng của cấu trúc và đặc tính hóa lý


Tinh thể TiO2 pha anatase thường được sử dụng làm xúc tác, do hoạt tính của nó cao

hơn rutile. Có nhiều giả thiết về nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau về hoạt tính của 2
dạng thù hình trên, trong đó nguyên nhân chính có thể do tốc độ tái kết hợp h +vb và e-cb của
rutile cao hơn. Anatase có bề mặt riêng lớn hơn rutile tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình
hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt xúc tác.
Tuy nhiên, không phải hoạt tính quang xúc tác tăng đồng biến theo hàm lượng
anatase mà chỉ đạt hiệu quả tối ưu với tỉ lệ anatase/rutile thích hợp.
Hoạt tính quang hóa có quan hệ chặt chẽ tới kích thước hạt của xúc tác. Khi kích
thước hạt TiO2 giảm, bề mặt riêng tăng có thể làm tăng hoạt tính quang hóa. Và hoạt tính
đạt tối ưu ở kích thước nhất định, không tăng đồng biến với việc giảm kích thước hạt.
1.1.8.2 Ảnh hưởng của nguồn chiếu sáng
Mỗi chất xúc tác bán dẫn đều có năng lượng vùng cấm tương ứng với vùng ánh sáng
hấp thụ nhất định. Chỉ ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm
của chất xúc tác quang hóa mới có thể kích thích hoạt tính của chúng. Cho nên nguồn
sáng đóng vai trò rất quan trọng trong các phản ứng xúc tác quang hóa dị thể.
1.1.8.3Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng
- Ảnh hưởng của pH môi trường
 Trong môi trường trung tính hoặc kiềm thì H2O hoặc OH- sẽ tác dụng với h+vb
theo phương trình:
h+vb + H2O → HO* + H+
h+vb + OH- → HO*
 Trong môi trường axit, O2 sẽ tác dụng với e-cb tạo gốc O2*-, gốc này lại tiếp tục
tác dụng với H+ trong môi trường tạo gốc tự do HOO* theo phương trình:
e-cb + O2 → O2*O2*- + H+ → HOO*
Các gốc HO* và HOO* đều là các tác nhân oxy hóa rất mạnh, sẽ tiếp tục oxy hóa
các chất hữu cơ thành các sản phẩm ít độc hại.
- Ảnh hưởng của ion vô cơ


Các ion như clorua, cacbonat, sunphat,… thường có mặt trong nước và nước thải
công nghiệp. Các ion này tác dụng với gốc HO* theo các phương trình sau:

Cl- + HO* → Cl* + OHCO32- + HO* → CO3*- + OH*SO42- + HO* → SO4*- + OH*Các ion này là nguyên nhân làm mất các gốc OH *, dẫn đến kiềm hãm tốc độ phản
ứng quang hóa.
- Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng:
Trong phản ứng xúc tác dị thể, tốc độ phản ứng tỉ lệ với phần bề mặt xúc tác bị
hấp phụ theo định luật hấp phụ Langmuir – Hinshelwood.
Từ biểu thức động học tổng quát:
Nếu nồng độ đầu chất phản ứng Co< 10-3M, tức KCo<< 1, ta có:
r = kKCo = k*Co
Khi đó bậc phản ứng sẽ là bậc nhất.
Nếu nồng độ đầu chất phản ứng Co> 5.10-3M, tức KCo>>1, ta có
r=k
Khi đó tốc độ phản ứng không còn phụ thuộc và nồng độ đầu và bậc phản ứng
bằng không.
- Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác:
Tốc độ đầu của phản ứng tỉ lệ với hàm lượng xúc tác TiO 2 dù phản ứng được thực
hiện trong pha động hay pha tĩnh. Khi hàm lượng TiO 2 tăng đến một giá trị giới hạn thì
tốc độ phản ứng sẽ đạt cực đại. Nếu tiếp tục tăng hàm lượng TiO 2 thì tốc độ phản ứng
không còn tăng nữa và không phụ thuộc vào hàm lượng TiO2.

1.2. Tổng quan về Sắt (Fe)
1.2.1 . Trạng thái thiên nhiên
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất , đứng hàng thứ 4 sau O, Si, Al. Trữ
lượng sắt trong vỏ Trái đất là 1,5%. Sắt là kim loại đã được biết đến từ thời cổ xưa, có lẽ
nó có nguồn gốc vũ trụ.


Những khoáng vật quan trọng của sắt như manhetit (Fe3O4) chứa đến 72% Fe;
hematit (Fe2O3) chứa 60% Fe; pirit (FeS2) và xiđerit chứa 35% Fe. Ngoài những mỏ lớn
tập trung khoáng vật sắt, sắt còn phân tán ở trong khoáng vật của những nguyên tố phổ
biến như Al,Ti, Mn....

1.2.2. Tính chất vật lý và hóa học
Sắt nguyên chất có ánh bạc, dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, nóng chảy ở 1536oC. Dưới
800oC sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành nam châm (tạm thời).
Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Sắt tác dụng với hầu hết tất cả các
phi kim khi đun nóng. Với các phi kim có tính oxi hóa mạnh như O2 và Cl2 thì sẽ tạo
thành những hợp chất trong đó sắt có số oxi hóa là +3.
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
3FeO + 2O2 → Fe3O4
Fe3O4 là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nên bởi các ion O2-, ion Fe3+ và ion Fe2+.
Trong quá trình phản ứng, một phần sắt bị oxi hóa thành Fe2+, một phần bị oxi hóa thành
Fe3+.Trong chất rắn trung bình cứ có 1 ion Fe2+ thì có 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-.
Trong không khí ẩm sắt dễ bị rỉ theo phản ứng:
4Fe + O2 + nH2O → 2Fe2O3.nH2O
Đối với các phi kim yếu hơn như lưu hùynh,.tạo thành hợp chất trong đó sắt có số
oxi hóa +2:
Fe + S → FeS
Sắt dễ tan trong dung dịch axit HCl và H2SO4 loãng
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Hay FeO + 2H+(dd) → Fe+(dd) + H2
Đối với các axít có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hay H2SO4 đặc nóng thì sản phẩm
phản ứng sẽ là muối sắt với sắt có số oxi hóa +3 và các sản phẩm khử của N: N 2O, NO,
NO2 hoặc của S: SO2. Ở nhiệt độ thường, trong axit nitric đặc và axit sulfuric đặc, sắt tạo
ra lớp oxit bảo vệ kim loại trở nên "thụ động", không bị hòa tan.
Sắt đẩy các kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng.


Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu
1.2.3. Ứng dụng của sắt
Sắt là một kim loại dồi dào, rẻ tiền, hữu ích cho nhiều sử dụng và có tầm quan

trọng trong lịch sử loài người. Sắt đã được sử dụng dưới dạng kim loại kể từ thời cổ đại.
Sắt bền, kiên cố và có thể dễ dàng pha hợp kim với các chất khác để tăng công dụng của
nó:
- Thép là một hợp kim của carbon và sắt. Nó được sử dụng cho nhiều sản phẩm
hiện đại, bao gồm xe hơi, đường ray, nhà chọc trời, súng ống và tàu thủy. Thép không rỉ,
một hợp kim với khoảng 10% chromium, được dùng làm dụng cụ nhà bếp, đồ điện gia
dụng và dụng cụ nấu ăn. Nó ít bị ăn mòn hoặc trầy xước.
- Sắt rèn, một hợp kim của sắt với những lượng rất ít carbon, dễ dát mỏng, khó
nóng chảy hơn và có cấu trúc thớ. “Rèn” có nghĩa là dập bằng tay. Nhiều sản phẩm từng
qua lửa rèn, ví dụ như cổng vườn và thanh hàng rào, thật ra là bằng thép. Tháp Eiffel
được xây dựng từ một dạng sắt rèn.
- Sắt đúc được làm nóng đến trạng thái nóng chảy của nó, sau đó được rót vào
khuôn rồi đông đặc. Nó là một dạng quan trọng được sử dụng trong sản xuất ấm, lọ,
xoong, chão, lò, khay.
- Taconite, một khoáng chất sắt, ngày được sử dụng nhiều cho các sản phẩm
thương mại. Giống như đa số khoáng chất sắt, nó được pha hợp kim với carbon để sản
xuất các sản phẩm tiện ích.
- Sắt còn thiết yếu đối với sự sống và mang oxygen trong protein hemoglobin của
tế bào hồng cầu.

1.3 Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp phân tích thành phần hóa
1.3.1.1 Phương pháp phân tích xác định nồng độ titan


Để xác định hàm lượng titan trong dung dịch, ta thực hiện phương pháp so màu dựa
trên phản ứng của ion titan với hidropeoxit tạo thành cation phức [TiO(H 2O2)2] 2+ có màu
vàng hấp thu ở bước sóng 405 nm.
Các muối florua, photphat, các ion có màu trong dung dịch sẽ làm sai lệch kết quả
cần xác định. Vì thế, khi chuẩn bị dung dịch mẫu cần thêm vài giọt axit photphoric để loại

bỏ ảnh hưởng màu của ion Fe3+ để tăng độ chính xác.
1.3.1.2. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng Fe2+
Để xác định hàm lượng Fe2+ trong dung dịch, ta thực hiện phương pháp so màu dựa
trên phản ứng của ion sắt với 1,10 - phenanthroline tạo thành phức màu đỏ cam hấp thu ở
bước sóng 510 nm gọi là Ferroin:
2+
2+

Fe

+ 3

Fe
N

N

N

N

3

Phức tồn tại dạng cation và bền trong khoảng pH rộng từ 2.5 – 9.0, màu sắc tỉ lệ với hàm
lượng Fe2+.
1.3.1.3 Phương pháp xác định nồng độ methylene blue
Methylene blue là một hợp chất thơm dị vòng, công thức hóa học là C 16H18N3SCl.
Một số tên gọi khác như là tetramethylthionine chlorhydrate, glutylene, methylthioninium
chloride. Là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dưới dạng cation (MB +). Khi tan
trong nước tạo dung dịch màu xanh. Phân hủy sẽ sinh ra các khí độc như: Cl 2, NO, CO,

SO2, CO2, H2S.
Methylene blue được chọn là chất phản ứng điển hình do:
- Đã được nghiên cứu khá đầy đủ trong các quá trình phân hủy quang xúc tác và
cho kết quả nhanh chóng đơn giản.
- Là chất thuộc nhóm chất hữu cơ chứa vòng thơm khó phân hủy sinh học.
- Tuy không phải là hóa chất gây độc cao nhưng nó vẫn gây ảnh hưởng nhất định
đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người.


Nồng độ metylene blue tại những thời điểm khác nhau được xác định bằng phương
pháp đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch metylene blue tại bước sóng hấp thụ cực đại
(664nm). Phương pháp này dựa trên nguyên tắc dung dịch có màu khác nhau khi được
chiếu sáng sẽ hấp thụ cực đại bước sóng khác nhau. Cường độ màu của dung dịch tỉ lệ với
nồng độ chất trong dung dịch đó. Mối quan hệ này tuân theo định luật Lambert – Beer,
được biển diễn:
I = Io.10-εcl
Trong đó:
Io: cường độ tia sáng tới dung dịch
I: cường độ tia sáng đi qua dung dịch
ε: hệ số hấp thụ ánh sáng
C: nồng độ chất dung dịch
l: bề dày lớp dung dịch
D = log (Io/I): mật độ quang
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật lý
1.3.2.1 Xác định bề mặt riêng của chất xúc tác quang TiO 2 bằng phương pháp
BET
Phương pháp BET (Brunauer – Emmett – Teller) dùng để nghiên cứu cấu trúc của
xúc tác rắn (bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp, kích thước lỗ xốp, các quy luật phân phối).
Phương trình BET được ứng dụng trong thực tế có dạng:
Với: P: áp suất hấp phụ cân bằng.

Po: áp suất hơi bão hòa chất hấp phụ
V: thể tích chất hấp phụ
Vm: thể tích đơn lớp bị hấp phụ
C: hằng số BET
Đồ thị tuyến tính trong khoảng áp suất tương đối P/P o = 0,05 – 0,3. Tính được hệ số
góc (tanα) và tung độ góc (1/Vm.C) cho phép tính được Vm và C.


Các mẫu xúc tác TiO2 được xác định bề mặt riêng trên máy CHEMBET 3000 (Mỹ).
Dựa trên nguyên tắc hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt khí nitơ.
1.3.2.2 Xác định kích thước hạt bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
SEM là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong việc xác định đặc tính
và cấu trúc của vật liệu nano. Nó có khả năng chi tiết đến vài nanomet và có thể phóng
đại ảnh từ 10 đến 300.000 lần. SEM không chỉ cho biết thông tin về hình ảnh như một
kính hiển vi quang học mà nó còn cung cấp thông tin về kết cấu hóa học ở gần bề mặt vật
liệu nano.
SEM không những cung cấp hình ảnh về vi cấu trúc và hình thái học của vật liệu
dạng khối hoặc dạng cấu trúc nano mà còn cho những thông tin chi tiết thành phần và sự
phân bố chất hóa học.
SEM được thực hiện trên máy (JEOL – Nhật).Trước tiên, để gắn mẫu được làm sạch
bằng cồn 96o, dùng băng keo 2 mặt dán vào đế. Lấy một lượng nhỏ mẫu cần phân tích cho
vào mặt còn lại của lớp keo, cho vào máy mạ kim loại (vàng hoặc bạch kim) để mạ lên
mẫu vật kim loại mỏng (khoảng 1 – 5µm) nhằm tạo lớp dẫn điện trên bề mặt mẫu và tiến
hành phân tích. Sau khi mạ kim loại cho vào máy SEM và tiến hành chụp ảnh. Ảnh SEM
được phóng đại 30.000 đến 50.000 lần để khảo sát hình thái và kích thước hạt TiO2.
1.3.2.3 Xác định pha tinh thể TiO2 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp vật lí hữu hiệu để
nghiên cứu cấu trúc, thành phần pha tinh thể rắn và độ kết tinh của chất xúc tác. Cơ sở
của phương pháp này dựa trên hiện tượng bức xạ điện từ từ nguồn phát tia âm cực (tia X)
có khả năng xuyên qua một số tấm chắn, thường làm bằng đen phim, kính ảnh.

Tia X chiếu vào các mặt phẳng của các ô mạng cơ sở và gây nên hiện tượng nhiễu
xạ, các tia nhiễu xạ được thu nhận bằng các tín hiệu. Đại lượng thường dùng để đặc trưng
cho các mặt phẳng nói trên là chỉ số Miller, ký hiệu h, k, l.
Ngoài ra, phương pháp XRD cũng có thể được dùng để ước tính kích thước tinh thể
bằng công thức Scherrer:


Trong đó, K là hằng số, 2 là góc nhiễu xạ, là bước sóng của tia X, và là độ rộng nửa
mũi của mũi có cường độ cao nhất thuộc tinh thể khảo sát.
Phổ XRD được đo trên máy (D8 – ADVANCE – BRUKER – Đức).
1.3.2.4 Xác định sự thay đổi khả năng hấp phụ ánh sáng khả kiến của chất xúc
tác quang TiO2 biến tính bằng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán (DRS)
Phổ phản xạ khuếch tán DRS dùng để đánh giá mức độ phản xạ của các mẫu xúc tác
biến tính. Từ đó có thể xác định khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến của các mẫu.
Bột TiO2 được nghiền mịn, cho vào cuvet bằng thạch anh, sau đó nén chặt mẫu lại
bằng nấp đậy cuvet sao cho bề mặt mẫu phẳng và đồng nhất. Mở máy và cài đặt các thông
tin cho máy.
Trước khi đo mẫu phải chuẩn đường nền bằng chất chuẩn có độ phản xạ 100%
(BaSO4), sau đó lấy chất chuẩn ra và đặt cuvet mẫu vào khay và tiến hành đo.
Dựa vào phương pháp phổ phản xạ khuếch tán (DRS) ta có thể xác định bước sóng
ánh sáng mà hệ xúc tác có thể hấp thụ, từ đó tìm được năng lượng vùng cấm E g theo công
thức:
Eg = hc/ λ
Trong đó:
h: hằng số planck
c: Tốc độ ánh sáng
λ: bước sóng hấp thụ từ đường cong của phổ DRS
1.3.2.5 Nhận diện các nhóm nguyên tử đặc trưng trong chất xúc tác quang TiO 2
biến tính bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ IR được xác định trên thiết bị (BRUKER- Đức) với mục đích nhận diện các

nhóm nguyên tử đặc trưng trong tinh thể xúc tác TiO2 được cấy thêm nguyên tố Fe.
Mẫu phân tích sau khi sấy khô được nghiền thật mịn với KBr với tỉ lệ khoảng 2-5
mg KBr sau đó ép trên máy ép thủy lực thành những viên tròn dẹt với chiều dày khoảng
0.1 mm, trong suốt và đồng đều. Lấy viên ra khỏi khuôn mẫu cẩn thận sao cho không bị
bể và đưa vào đĩa thủy tinh mang sấy chân không, hút ẩm và tiến hành đo phổ.
1.3.2.6 Phương pháp quang phổ electron UV – VIS


Khi phân tử hấp thu các bức xạ có năng lượng lớn như năng lượng tử ngoại hoặc
khả kiến thì năng lượng electron của chúng sẽ bị thay đổi và phụ thuộc vào cấu trúc
electon của phân tử. Mỗi phân tử có thể hấp thu năng lượng với các bước sóng khác nhau
và tuân theo quy lựa chọn trong phổ electron.
Theo định luật Lambert – Beer, cường độ tia đơn sắc trước và sau qua môi trường
hấp thu liên hệ nhau bởi hệ thức:
A = lg = εlC
Với:
A: độ hấp thu
C: nồng độ chất tan
l: bề dày cuvet đựng mẫu
ε: hệ số hấp thu
Máy đo UV – VIS thông thường đều ghi phổ ở vùng tử ngoại gần vùng khả kiến,
khả năng máy có thể đo tới λ=1000nm. Dung môi dùng để đo phổ phải không hấp thu ở
vùng cần đo. Trong đề tài sử dụng máy đo UV – VIS 1800 SIMADZU để xác định nồng
độ methylene blue.


CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất - dụng cụ - thiết bị
2.1.1. Hóa chất
- TiO2 công nghiệp

- FeSO4.7H2O
- NaOH (xút vảy)
- Dung dịch H2SO4 đậm đặc (96 – 98%)
- Hydro peroxit (H2O2)
- Polyethylenglycol HO(C2H4O)nH
- Methylene blue C16H18N3SCl
2.1.2. Dụng cụ thí nghiệm và thiết bị
- Cốc thủy tinh 100 ml, 250 ml, 500 ml
- Đũa thủy tinh
- Pipet 5 ml, 10 ml, 25 ml
- Buret 25 ml
- Erlen 250 ml, 500 ml, 1000 ml
- Bình tia nước cất
- Bếp gas, nồi đun
- Chén nung
- Lò nung Nabertherm (Anh)
- Cân phân tích Precisa (Thụy Sỹ)
- Tủ sấy chân không Labtech (Hàn Quốc)
- Máy khuấy từ gia nhiệt Bibby Sterilin HC 502 (Anh)


2.2 Các thí nghiệm điều chế xúc tác
2.2.1 Điều chế Ti(SO4)2 từ TiO2 công nghiệp
2.2.1.1 Quy trình điều chế
TiO2 công nghiệp

NaOH khan

Hỗn hợp Na2TiO3 và NaOH
Lọc, rửa

Bột Ti(OH)4

Dung dịch H2SO4 đậm đặc
Dung dịch Ti(SO4)2
Phản ứng phân hủy oxyt titan trong kiềm nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 300oC.
TiO2 + 2NaOH = Na2TiO3 + H2O
Đun nóng chảy NaOH khan. Sau đó cho từ từ TiO 2 vào, phản ứng xảy ra rất mạnh.
Sản phẩm thu được khi để nguội là một khối rắn bao gồm Na 2TiO3 và NaOH. Khi pha
loãng sản phẩm trong nước Na2TiO3 phân hủy tạo thành Ti(OH)4 ngậm nước:
Na2TiO3 + H2O = Ti(OH)4 + 2NaOH
Lắng, gạn kết tủa nhiều lần, sau đó lọc rửa kết tủa đến pH 7÷8. Hydroxyt titan mới
sinh có khả năng tan mạnh trong môi trường axit sunfuric. Cho từ từ kết tủa hydroxyt
titan mới sinh vào dung dịch acid H 2SO4 70% chứa trong bình tam giác có đặt ống sinh
hàn hồi lưu, gia nhiệt trên bếp cách cát, phản ứng ban đầu xảy ra mãnh li ệt, tỏa nhiệt
nhiều làm nhiệt độ dung dịch tăng lên nhanh để đạt được nhiệt độ sôi 180-200 oC, tiếp tục
cho thêm kết tủa đến khi phản ứng đạt hiệu suất cao nhất, dung dịch vẩn đục các hydroxit


titan không hòa tan nữa, làm nguội đến nhiệt độ phòng, để lắng trong và tách dung dịch
trong bão hòa Ti4+.
2.2.1.2 Thí nghiệm tỉ lệ TiO2/NaOH
Mô tả thí nghiệm:
Nấu NaOH tan chảy, sau đó cho từ từ TiO 2 vào cho đến khi lượng TiO2 tan hết, để
nguội. Tiến hành rửa NaOH dư bằng nước cất đến pH = 7 thì đem lọc lấy kết tủa để khô,
thu được Ti(OH)4. Đề tài đã tiến hành khảo sát các tỉ lệ NaOH/TiO 2 phản ứng là 1/2, 1/3,
1/4, 1/5.
2.2.1.3 Khảo sát thời gian phân hủy TiO2
Mô tả thí nghiệm:
Cân 160 gam NaOH cho vào nồi inox đun đến khi NaOH tan chảy, sau đó cân 40g
TiO2 cho vào nồi, thời gian được tính từ khi cho TiO2. Khảo sát ở những thời gian khác

nhau: 5 phút, 10 phút, 15 phút.
Bảng 2.1 Bảng khảo sát thời gian phân huỷ TiO2
ST
T
1
2

Thời gian, phút

NaOH, gam

TiO2, gam

5
10

160
160

40
40

3

15

160

40

2.2.1.4. Phương pháp xác định hàm lượng titan trong dung dịch titansunfat
Phương pháp so màu xác định titan dựa trên phản ứng của ion titan với hidroperoxit
tạo thành cation phức [TiO(H2O2)2]2+ có màu vàng hấp thu ở bước sóng 405nm. Phản ứng
này nhạy, cho phép xác định titan khi nồng độ của nó đạt tới 10-5g/ml.
Các muối florua, photphat, các ion có màu, thí dụ: sắt, đồng, coban, niken và một số
nguyên tố khác ngăn cản sự xác định.
Các thuốc thử cần thiết:
+ Dung dịch chuẩn titan sunphat, chứa 0.1mg TiO2/ml
+ Axit sunfuric, dung dịch 2N và pha loãng (1:1)
+ Hidro peroxit, dung dịch 3%


+ Natri pirosunfat
+ Axit photphoric (d = 1.7 g/cm3)
Chuẩn bị dung dịch sunfat titan: Nung nóng chảy lượng cân 0.2g titan dioxit trong
chén với 8-10g natri pirosunfat. Hòa tan chất chảy trong dung dịch axit sunfuric trong đó
là 2N. Cẩn thận lắc đều dung dịch, dung dịch được chuẩn bị như vậy chứa 0.1mg TiO 2
trong 1ml.
Phương pháp xác định: Thêm 1 giọt dung dịch hidroperoxit 30% vào bình định mức
dung tích 50ml chứa lần lượt: 0, 10, 20, 30, 40 ml dung dịch titan sunfat chứa 0.1mg
TiO2/ml, thêm giọt axit photphoric (có tác dụng loại bỏ ảnh hưởng màu của ion Fe 3+ nếu
có trong dung dịch). Sau đó định mức tới vạch bằng dung dịch axit sunfuric 2N. Lắc đều
và để yên trong 10 phút. Rồi đo mật độ quang trên máy DR 2000 tại bước sóng 400-500
nm.
Lập đồ thị f(c) theo mật độ quang D. Ta nhận được đường chuẩn xác định hàm
lượng titan có trong dung dịch.
C (g/l)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

D

0

0,203

0,411

0,608

0,815

1,024

1.2

Mât đ ô quang

1

f(x) = 10.22x - 0
R² = 1

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Ham lư ơ ng TiO2 (g/l)

Hình 2.1. Đồ thị đường chuẩn TiO2

0.12