Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nano autio2 tạo hiệu ứng plasmon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM THANH SƠN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TỔ HỢP NANO Au:TiO2
TẠO HIỆU ỨNG PLASMON

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINK KIỆN NANO

HÀ NỘI – 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM THANH SƠN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TỔ HỢP NANO Au:TiO2
TẠO HIỆU ỨNG PLASMON

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINK KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Phạm Văn Hội

HÀ NỘI – 2013


Lời cảm ơn

Luận văn tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong thời gian hơn một năm nỗ lực
của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của rất nhiều người.
Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất đến
PGS.TS Phạm Văn Hội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Em cũng rất biết ơn các cán bộ và anh chị hiện đang công tác tại phòng Vật liệu và
Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học vật liệu đã quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện
về cơ sở vật chất cũng như thiết bị cho việc nghiên cứu và hoàn thành khoá luận này.
Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô cùng các cán bộ công tác tại
khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano đã đào tạo cho em không chỉ về kiến thức chuyên
môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và làm việc.
Luận văn này cũng là một lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân của em, tập thể
lớp K18N những người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá luận
này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2013
Học viên

Phạm Thanh Sơn


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan nội dung trong bản luận văn tốt nghiệp này là kết quả trong công
trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hội. Tất cả các
số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài liệu, ấn
phẩm nào khác. Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ
và được nêu trong phần phụ lục cuối khoá luận.

Hà Nội ngày 20 tháng 12 năm 2013
Học viên

Phạm Thanh Sơn

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TITAN OXIT VÀ QUANG XÚC TÁC ............................. 3
1.1 Tính chất chung của TiO2 ........................................................................................ 3
1.2 Các dạng thù hình của TiO2 ..................................................................................... 6
1.2.1 Tính chất điện của pha anatase và rutile ............................................................. 7
1.2.2 Tính chất quang của anatase và rutile ................................................................ 8
1.3 Tính chất quang xúc tác TiO2................................................................................... 9
1.3.1 Khái niệm quang xúc tác ................................................................................... 9
1.3.2 Quá trình quang xúc tác ................................................................................... 11
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác TiO2 .................................. 14
1.3.4 Ưu nhược điểm của vật liệu quang xúc tác TiO2 .............................................. 15
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PLASMON VÀ MÔ HÌNH TỔ HỢP NANO
Au:TiO2 .......................................................................................................................... 17
2.1 Tổng quan về hiệu ứng plasmon ............................................................................ 17
2.1.1 Sơ lược về hiệu ứng plasmon của các cấu trúc kim loại ................................... 17
2.1.2 Mô hình Drude về hằng số điện môi của khí điện tử tự do ............................... 18
2.1.3 Plasmon bề mặt tại các giao diện điện môi – kim loại ...................................... 18
2.1.4 Plasmon định xứ trong các hạt nano kim loại ................................................... 21
2.1.5 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ plasmon vào kích thước hạt nano kim loại ........ 23
2.2 Hiệu ứng quang học plasmon của tổ hợp nano Au:TiO2 ......................................... 24
2.3 Lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn hình thành trong tổ hợp nano Au:TiO2 ................. 26

2. 5 Quá trình quang xúc tác nano Au/TiO2 ................................................................. 27
Chương 3 : CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO TỔ HỢP NANO Au:TiO2 VÀ CÁC KỸ
THUẬT PHÂN TÍCH ..................................................................................................... 30


3.1

Các phương pháp chế tạo màng mỏng ............................................................... 30

3.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt.............................................................................. 30
3.1.2 Phương pháp phún xạ ...................................................................................... 31
Các tạp chất nhiễm từ thành chuông, trong chuông hay từ anode có thể lẫn vào trong
màng. ....................................................................................................................... 36
3.1.3 Phương pháp oxi hóa nhiệt .............................................................................. 36
3.2 Các kỹ thuật phân tích ........................................................................................... 36
3.2.1 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................... 36
3.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X............................................................................. 37
3.2.3 Đo phổ hấp thụ ................................................................................................ 39
3.3 Thực nghiệm và chế tạo mẫu ................................................................................. 40
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 43
4.1 Kết quả khảo sát màng mỏng TiO2 ........................................................................ 43
4.2 Khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất quang của tổ hợp nano Au:TiO2 .............. 46
4.3 Tính chất quang xúc tác của màng TiO2 ................................................................. 53
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 57
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 58


Danh mục các từ viết tắt:
Abs:

Absorption

FE-SEM:

Field Emission Scaning Electron Microscope

LSP

Local Surface Plasmon

SC:

Semiconductor

SEM:

Scaning Electron Microscope

SSP

Surface Plasmon Polariton

UV:

Ultra Violet

XRD:

X-Ray Diffraction

Danh mục hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Titan Oxit ở dạng bột ......................................................................................... 3
Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị của TiO2 (pha anatase) ............. 5
Hình 1.3 Ô cơ sở và các thông số cấu trúc của pha anatase và pha rutile ......................... 6
Hình 1.4 Mối quan hệ giữa độ rộng vùng cấm của một số oxit kim loại, oxit bán dẫn với
thế oxi hóa-khử ............................................................................................................... 11
Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn và sự hoạt động của chất bán dẫn
khi được kích thích quang hóa ........................................................................................ 12
Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của anatase và rutile ......................................................... 13
Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn các quá trình xảy ra khi TiO2 hấp thụ tia UV: ......................... 14
(A) tái hợp bề mặt,(B) tái hợp trong khối,(C) sự khử, (D) sự oxi hóa. ............................. 14
Hình 2.1 a. Plasmon khối; b. Plasmon bề mặt; c. plasmon bề mặt định xứ ...................... 17
Hình 2.2 Plasmon trên giao diện bạc – không khí. .......................................................... 20
Đường đứt nét thể hiện giới hạn sóng dừng..................................................................... 20
Hình 2.3 (a) Cấu hình Otto và (b) cấu hình Kretschmann .............................................. 20
Hình 2.4 Giản đồ về dao động plasmon cho một hạt nano hình cầu ................................ 21
Hình 2.5 phổ hấp thụ của vàng ở các trạng thái khác nhau ............................................. 24
Hình 2.6 Sơ đồ năng lượng của tiếp xúc kim loại bán dẫn loại n .................................... 26
(a)- trước khi tiếp xúc ..................................................................................................... 26
(b)- sau khi tiếp xúc ........................................................................................................ 26
Hình 2.7 Tổ hợp nano Au/TiO2/ITO ............................................................................... 28
Hình 2.8 (a) Quá trình tiêm điện tử từ vàng sang TiO2 ................................................... 28
(b) Quá trình vàng oxi hóa 2-propanol thành aceton........................................................ 28
Hình 3.1 Mô hình bốc bay nhiệt ..................................................................................... 31
Hình 3.2 Hệ phún xạ cao tần mini – sputter của ULVAC ............................................... 32
Hình 3.3 Quá trình bắn phá bia và lắng đọng vật liệu trên đế......................................... 34
Hình 3.4 Quá trình phún xạ ............................................................................................ 35
Hình 3.5 Lò ủ Lindberg Blue M STF55666C. ................................................................ 36
Hình 3.6 Kính hiển vi điện tử quét Hitachi FE-SEM S-4800 .......................................... 37

Hình 3.7 Sự phản xạ của tia X trên mặt phẳng các mặt phẳng Bragg .............................. 37


Hình 3.8 Hệ máy SIEMENS D-5005 .............................................................................. 38
Hình 3.9 Hệ đo UV-VIS-NIR (CARY 5000) .................................................................. 39
Hình 4.1 Màng mỏng Ti và TiO2 .................................................................................... 43
Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng TiO2 (anatase) .................................... 43
Hình 4.3 Ảnh FE-SEM bề mặt của màng TiO2 (anatase) ................................................ 44
Hình 4.4 Ảnh FE-SEM mặt cắt của màng TiO2 .............................................................. 45
Hình 4.5 Phổ hấp thụ của màng mỏng TiO2 (anatase) ..................................................... 45
Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của tổ hợp nano Au:TiO2 ............................................. 46
Hình 4.7 Ảnh FE-SEM bề mặt của tổ hợp nano Au:TiO2 ............................................... 47
Hình 4.8 Phổ hấp thụ của màng vàng sau khi được tạo thành trên nền TiO2 ................... 47
Hình 4.9 Phổ hấp thụ của tổ hợp nano Au:TiO2 chế tạo được ......................................... 48
Hình 4.10 Kết quả tính toán hệ số tăng cường hấp thụ theo bán kính hạt nano vàng ở
bước sóng 550nm ........................................................................................................... 50
Hình 4.11 Phổ hấp thụ của tổ hợp nano Au:TiO2 xử lý ở các nhiệt độ khác nhau ........... 51
Hình 4.12 Phổ hấp thụ của tổ hợp nano Au:TiO2 theo chiều dày màng Au chế tạo ......... 51
Hình 4.13 Kết quả tính toán hệ số tăng cường hấp thụ theo bán kính hạt nano vàng ở các
bước sóng 500nm, 550nm, 600nm, 650nm, 700nm ......................................................... 52
Hình 4.14 Khả năng phân hủy dung dịch Methylene Blue của màng TiO2...................... 53
Hình 4.15 Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ dung dịch của Methylene Blue ..... 54
Hình 4.16 Sự suy giảm hấp thụ của dung dịch Methylene Blue ...................................... 55
Hình 4.17 Sự suy giảm hấp thụ của dung dịch Methylene Blue khi sử dụng tổ hợp nano
Au :TiO2 với ánh sáng nhìn thấy .................................................................................... 56


Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Một vài tính chất quan trọng của TiO2 ở pha anatase và rutile ........................... 4
Bảng 4.1 Cường độ đỉnh phổ hấp thụ ở bước sóng 664nm của dung dịch Methylen Blue

tại một số nồng độ .......................................................................................................... 53


1
MỞ ĐẦU
Các nghiên cứu về plasmonic gần đây nhận được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng
khoa học vì nó có tiềm năng ứng dụng rất cao trong thiết bị và linh kiện của các ngành như
viễn thông, máy tính, năng lượng, cảm biến và xử lý môi trường. Vì vậy hướng nghiên cứu
về plasmonic là cơ hội và thách thức lớn cho các nghiên cứu công nghệ cao và cả nghiên
cứu cơ bản. Plasmonic liên quan đến tương tác của ánh sáng với vật chất ở kích thước nano
mét, nó có thể được coi là một phần của công nghệ quang tử học.
Plasmon bề mặt xảy ra tại giao diện điện môi - kim loại, tại đó dao động của các điện
tử tự do tại bề mặt của kim loại được tăng cường, các dao động này định xứ hoặc lan truyền
trên bề mặt của kim loại và từ đó sóng điện từ được dẫn dọc theo bề mặt kim loại. Sóng
điện từ truyền dọc theo giao diện điện môi - kim loại nhờ kích thích plasmon bề mặt gọi là
plasmon polariton bề mặt (surface plasmon polariton - SSP). Đối với các hạt kim loại có
kích thước nano mét thì sóng điện từ dao động tại bề mặt của các hạt nano kim loại gọi là
cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (localized surface plasmon resonance - LSPR). Trong
thời gian hơn một thập kỉ qua, hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt
nano kim loại quý như vàng (Au), bạc (Ag) được chú ý tới nhiều bởi các hạt nano này có
bước sóng cộng hưởng plasmon định xứ bề mặt tại vùng khả kiến nên có thể nâng cao hiệu
suất chuyển đổi quang-điện của các linh kiện quang-điện tử.
Nghiên cứu cơ bản về plasmonic và các ứng dụng của nó trong lĩnh vực quang-điện
tử nano đang phát triển rất nhanh chóng cả trong nước và nước ngoài, tập trung vào các hệ
kim loại ở kích thước nano mét. Ví dụ như những báo cáo gần đây về khả năng tăng cường
phát xạ và hấp thụ ánh sáng tại bề mặt chất bán dẫn có phủ các hạt nano kim loại quý như
Au, Ag. Các hạt nano kim loại sẽ được sử dụng để thu nhận ánh sáng và từ đó nâng cao
hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua các cộng hưởng plasmon định xứ bề mặt.
TiO2 ngày nay đang được nghiên cứu và ứng dụng rất sôi động trên toàn thế giới. Vật
liệu này có những tính chất quý như siêu thấm ướt, khả năng quang hóa, diệt khuẩn…. Với

những khả năng đó TiO2 giúp ích rất nhiều cho cuộc sống con người, chúng có thể làm vật
liệu để sản xuất các loại sơn tự làm sạch, pin mặt trời, sử dụng để xử lý làm sạch môi trường.
Hiện nay các sản phẩm thương mại từ TiO2 đã khá phong phú, tuy nhiên những nghiên cứu
về TiO2 vẫn còn được phát triển rất mạnh để nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng.
Nhiều nghiên cứu về các hạt nano Au đã được thực hiện, chúng cho thấy những tăng
cường về phát xạ, tán xạ Raman, hấp thụ trong pin mặt trời, đặc biệt các tế bào quang xúc
tác tạo ra năng lượng điện từ ánh sáng trong đó có ánh sáng nhìn thấy. Trong rất nhiều vật
liệu quang xúc tác, quang-điện tử xúc tác thì TiO2 là một vật liệu có nhiều đặc tính ưu việt
nhất, vật liệu này có ưu điểm là thân thiện với môi trường, rẻ, dễ chế tạo, và bền trong môi


2
trường lỏng. Tuy nhiên TiO2 không hấp thụ ánh sáng ở vùng ánh sáng khả kiến. Để giải
quyết vấn đề hấp thụ các bước sóng trong vùng khả kiến thì việc pha tạp các nano Au vào
trong nền TiO2, tạo hiệu ứng plasmonic đã phần nào giải quyết được vấn đề này. Tăng
cường các quá trình quang xúc tác, quang-điện xúc tác của màng mỏng TiO2 để phân hủy
các chất thải hữu cơ có trong nước đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới. Trong luận văn
này, tôi trình bày các kết quả của tính toán lý thuyết về hệ số tăng cường hấp thụ của tổ hợp
nano Au:TiO2 để có được cấu trúc tối ưu và sau đó là các kết quả thực nghiệm của việc chế
tạo tổ hợp nano Au:TiO2 và các đánh giá sơ bộ đối với tổ hợp nano Au:TiO 2 chế tạo được.
Chính vì thế, trong luận văn này tôi tập trung nghiên cứu hiệu ứng plasmonic của tổ
hợp nano Au:TiO2 trong việc hấp thụ ánh sáng ở vùng nhìn thấy. Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về Titan oxit và quang xúc tác.
Chương 2: Tổng quan về hiệu ứng plasmon và mô hình tổ hợp nano Au:TiO2.
Chương 3: Các phương pháp chế tạo tổ hợp nano Au:TiO2 và các kỹ thuật phân tích.
Chương 4: Kết quả và thảo luận .


3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TITAN OXIT VÀ QUANG XÚC TÁC

1.1 Tính chất chung của TiO2
Titan (Ti) là kim loại chuyển tiếp lớp 3d có màu trắng bạc với cấu trúc tinh thể lục
giác, có trạng thái oxi hóa đặc trưng và bền nhất là Ti4+. TiO2 là oxit của Ti được quan tâm
nghiên cứu nhiều nhất. Từ lâu TiO2 được biết đến là một bán dẫn có vùng cấm nghiêng
(hình 1.1), với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV là vật liệu quan trọng sử dụng làm điện cực
trong kỹ thuật quang điện hóa. TiO2 là một chất rắn màu trắng và tồn tại dưới một số dạng
tinh thể khác nhau. Trong tự nhiên thì TiO2 không tồn tại dưới dạng tinh khiết mà chỉ tồn
tại dưới dạng khoáng chất. TiO2 là chất khá cứng và khó nóng chảy với nhiệt độ nóng chảy
vào khoảng 18500C. TiO2 còn là một vật liệu khá trơ về mặt hóa học, nó không tác dụng
với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm, nó chỉ tác dụng với dung dịch axit khi đun
nóng lâu và kiềm nóng chảy (bảng 1). TiO2 có chiết suất cao do đó chúng được sử dụng
rộng rãi làm vỏ bọc chống phản xạ trong pin mặt trời silic và nhiều thiết bị quang màng
mỏng khác. Ngoài ra TiO2 còn được ứng dụng thành công trong việc chế tạo sensor khí nhờ
sự phụ thuộc độ dẫn điện vào thành phần khí bao quanh. TiO2 cũng được sử dụng để xác
định nồng độ CO, O2 ở nhiệt độ cao (khoảng trên 6000C). Nhờ khả năng tương thích với cơ
thể người TiO2 còn được sử dụng làm vật liệu sinh học như thay thế xương hoặc làm tăng
tính cơ học của các bộ phận trong cơ thể.
TiO2 được dùng trong công nghệ thực phẩm (E171), thuốc đánh răng, trong công nghệ
sơn. TiO2 cũng được dùng trong các phản ứng quang xúc tác, có tác dụng như chất hoạt
hóa, phân hủy các chất gây ô nhiễm môi trường như: forman-dehide, các chất hoạt động bề
mặt, khử khuẩn khử mùi. Đặc tính quang hóa của TiO2 dựa trên việc chiếu ánh sáng có
năng lượng photon tương ứng với độ rộng vùng cấm của nó sinh ra các phân tử có tính oxi
hóa cao tại bề mặt chất bán dẫn. TiO2 còn có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành
CO2, H2O, các hợp chất an toàn khác, làm chống sương bám.

Hình 1.1 Titan Oxit ở dạng bột


4
Bảng 1.1 Một vài tính chất quan trọng của TiO2 ở pha anatase và rutile

Tính chất

Pha anatase

Pha rutile

Cấu trúc tinh thể

Tetragola

Tetragola

Số nguyên tử trong ô cơ sở
(Z)

4

2

Nhóm không gian

I41/amd

P42/mnm

Thông số mạng (nm)

a=0,3785

a= 0,4594

c=0,9514

c=0,2959

Thể tích ô cơ sở (nm3)

0,1363

0,0624

Khối lượng riêng (kgm-3)

3894

4250

Độ rộng vùng cấm (eV)

3,23 - 3,59

3,02 – 3.24

(nm)

345,4 – 383,9

382,7 – 410,1

Sự tan trong HF

Tan

Không tan

Hệ số cứng Mohs

5,5 – 6,0

7,0 – 7,5

Khối lượng hiệu dụng của
điện tử

1 me

9 – 13 me

Điểm nóng chảy (0C)

1830 – 1850

1870

Điểm sôi (0C)

-

2927

Độ linh động của điện tử µ
(cm2/Vs)

~10

~1

Hằng số điện môi

 / / c  48
  c  31

 / / c  178
  c  89

Liên kết TiO2 là liên kết ion. Các nguyên tử Titanium và Oxy trao đổi hóa trị cho nhau
để thành các cation và anion. Liên kết xuất hiện giữa các ion trái dấu thông qua lực hút tĩnh
điện. Khi các nguyên tử Ti và O tiến gần nhau để tạo nên tinh thể, do tương tác giữa chúng
mà có sự phân bố lại điện tử trong các nguyên tử. Quá trình phân bố lại điện tử thỏa mãn
điều kiện bảo toàn điện tích trong toàn hệ và có xu hướng sao cho các nguyên tử có lớp vỏ
ngoài cùng lấp đầy điện tử.


5

Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị của TiO2 (pha anatase)

Cấu hình điện tử của Ti : 1s22s22p63s23p63d24s2
Ti4+: 1s22s22p63s23p63d04s0
O: 1s22s22p4

O2-: 1s22s22p6
Khi tạo thành tinh thể, mỗi nguyên tử Ti cho hai nguyên tử O bốn điện tử và trở thành
cation Ti4+, mỗi nguyên tử O nhận hai điện tử và trở thành anion O2-. Anion O2- khi đó có
phân lớp 2p lấp đầy điện tử. Vì vậy, trong tinh thể cùng 2p trở thành vùng đầy điện tử.
Cation Ti4+ không có điện tử nào ở phân lớp 4s nên khi tạo thành vùng 4s trong tinh thể thì
vùng này không chứa điện tử nào. Khoảng cách giữa vùng 4s và 2p lớn hơn 3eV. Các chất
mà các vùng cho phép lấp đầy hoàn toàn điện tử hoặc lỗ trống hoàn toàn ở nhiệt độ thấp
hầu như là các chất không dẫn điện. Đó là các chất điện môi hoặc là bán dẫn.
TiO2 có bốn loại cấu trúc tinh thể: anatase (cấu trúc dạng tứ giác), rutile (cấu trúc dạng
tứ giác), brookite (cấu trúc dạng thoi) và TiO2 (B) (có cấu trúc đơn tà). TiO2 còn có thêm
hai cấu trúc được tổng hợp ở áp suất cao bắt nguồn từ rutile đó là TiO2 (II) và TiO2 (H).
Trong các pha trên thì rutile là bền nhất[1], [2], [14].


6
1.2 Các dạng thù hình của TiO2
Cấu trúc tinh thể của rutile và anatase và brookite khác nhau do sự biến dạng của mỗi
mặt bát diện và tập hợp mỗi dãy bát diện. Tuy nhiên, dù ở cấu trúc nào thì ion Ti4+ cũng
được sáu ion O2- bao quanh tạo thành khối bát diện.
Ô cơ sở của pha rutile gồm hai nguyên tử Ti nằm ở vị trí (0, 0, 0) và (1/2, 1/2, 1/2) và
bốn nguyên tử O. Nguyên tử oxy tạo thành bát diện bao quanh mỗi cation Ti. Ô cơ sở của
pha anatase gồm bốn nguyên tử Ti nằm ở vị trí (0, 0, 0), (1/2, 1/2, 1/2), (0, 1/2, 1/4), (-1/2,
0, -1/4) và tám nguyên tử oxy. Bát diện TiO6 là khối đơn vị cơ sở cho các cấu trúc đa dạng
của TiO2. Các cấu trúc khác nhau bởi cách sắp xếp và độ méo của khối bát diện. Trong pha
rutile mỗi bát diện tiếp xúc với mười bát diện bên cạnh, (trong đó hai bát diện chung nhau
một cạnh và tám bát diện chung nhau một góc). Các cạnh chung nằm dọc theo hướng (001).
Anatase là mạng tinh thể đối xứng tứ giác, mỗi bát diện tiếp giáp với tám bát diện bên cạnh
(bốn chung nhau cạnh và bốn chung nhau góc). Cạnh chung nằm dọc theo hướng (100) và
(010) tạo thành chuỗi đường zic zắc đúp vuông góc với trục c.
Khoảng cách Ti – Ti trong pha anatase lớn hơn (3,79Å và 3,04Å so với 3,57Å và

2,96Å ở pha rutile). Trong khi đó khoảng cách Ti – O trong pha anatase ngắn hơn pha rutile
(1,937Å và 1,966Å so với 1,946Å và 1,983Å ở pha rutile). Do đó, bát diện của pha rutile
là không đồng đều vì có sự biến dạng yếu của hệ thoi (orthorhobic). Bát diện của pha
anatase bị biến dạng mạnh (hình 1.3).

Hình 1.3 Ô cơ sở và các thông số cấu trúc của pha anatase và pha rutile


7
Sự khác nhau trong cấu trúc mạng TiO2 này là nguyên nhân dẫn tới những khác nhau
về mật độ và cấu trúc điện tử giữa hai pha anatase và rutile. Màng mỏng TiO2 vô đinh hình
có thể được lắng đọng ở nhiệt độ 100-1500C. TiO2 vô định hình không có cấu trúc tinh thể,
thường có các khoảng trống trong vật liệu và khối lượng riêng tương đối thấp. Cần chú ý
rằng pha anatase là pha giả bền của TiO2 và sự chuyển pha rutile liên quan đến sự biến hình
cấu trúc anatase mà không có chiều ngược lại. Mặc dù cả rutile và anatase đều có cấu trúc
tinh thể hình tứ giác nhưng pha rutile có cấu trúc đặc hơn và vì thế nó có khối lượng riêng
lớn hơn. Nhiệt độ chuyển pha từ anatase sang rutile biến đổi từ 600 – 9000C, tùy theo nồng
độ và kích thước của nguyên tử pha tạp. Tuy nhiên có những công bố cho thấy tại 1500C
TiO2 ở dạng vô định hình, trên 3500C pha anatase bắt đầu hình thành và chuyển hoàn toàn
tại 4500C, pha rutile xuất hiện tại 5000C. Nung ở nhiệt độ cao thì oxit titan trở thành hợp
chất cực kỳ bền (trơ) hóa học. Nó có tính chất lưỡng tính, tan chậm trong axit sunphuric
hoặc trong hidroxit kiềm nóng chảy. Các tính toán nhiệt động lực học dựa trên phép đo
nhiệt lượng cho thấy pha rutile là pha ổn định nhất ở tất cả các nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ
nóng chảy của nó với áp suất thường.
Sự khác nhau về cấu trúc thì hiển nhiên dẫn đến sự khác nhau về các tính chất cơ học.
Do mật độ thấp hơn của pha anatase so với pha rutile nên pha này có cấu trúc mở, các cation
nhỏ có thể xen kẽ vào, trong khi đó ở pha rutile thì không. Pha anatase mềm hơn rutile. Hệ
số cứng Mohs pha anatase là 5,5 – 6,0, pha rutile là 7 -7,5 tương đương độ cứng của kính
và thạch anh. Cấu trúc mạng tinh thể tứ giác của pha anatase và rutile làm tăng tính dị
hướng trong các tính chất quang và tính chất điện (ví dụ tính lưỡng chiết). Pha anatase thiếu

tâm nghịch chuyển (lack of a center of inversion) nên nó có tính chất áp điện. Pha rutile
không có tính chất này. Pha rutile là dạng bền nhiệt động học nhất của TiO2, vào khoảng
1,2 – 2,8kcal/mol lớn hơn pha anatase. Trong khi đó pha anatase bền hơn đối với hạt có
kích thước nhỏ hơn kích thước tới hạn vì khi đó năng lượng bề mặt thấp hơn. Nhiệt lượng
cần thiết để chuyển pha sang rutile là 944,5kcal/mol [1].
1.2.1 Tính chất điện của pha anatase và rutile
Do tính phân cực cao của các anion oxy trong phân tử TiO2 nên hằng số điện môi của
TiO2 là không đẳng hướng. Pha anatase có hằng số điện môi theo các hướng song song và
vuông góc với trục C là :  || c  48;   c  31 , của pha rutile là:  || c  178;   c  89 . Điện
môi của pha anatase nhỏ hơn là do có thể tích phân tử lớn vì mật độ của pha này thấp hơn
pha rutile. Thể tích ô cơ sở của pha rutile là 62,07Å3 trong khi của pha anatase là 136,25Å3.
Do cấu trúc vùng khác nhau của pha anatase và pha rutile nên sự vận chuyển điện tử
trong hai pha khác nhau nhiều. Khối lượng hiệu dụng của điện tử trong vùng dẫn của pha
anatase gần bằng khối lượng của điện tử tự do. Có nghĩa là thấp hơn 10 lần khối lượng hiệu


8
dụng của điện tử trong pha rutile, dẫn đến độ linh động của điện tử trong pha anatase cao
hơn điện tử trong pha rutile. Thực tế, do độ linh động của điện tử thấp và độ phân cực cao
trong pha rutile nên sự vận chuyển điện tử trong pha rutile nhờ các polaron nhỏ thông qua
quá trình " nhảy cóc" (hopping). Thêm nữa, sự vận chuyển điện tử trong pha rutile là dị
hướng do sự có mặt của một số vùng dẫn mini. Ngược lại, vùng dẫn đơn trong pha anatase
là đẳng hướng và hầu như không dẫn điện bởi các polaron nhỏ.
Do có vùng cấm rộng nên số các hạt tải riêng bị kích thích nhiệt được sinh ra rất ít ở
nhiệt độ môi trường xung quanh. Các dòng điện vì thế thường được duy trì bởi các hạt tải
bên ngoài, các nút khuyết oxy sinh ra các trạng thái trong vùng cấm của TiO2 mà cả lý
thuyết và thực nghiệm đều tìm ra giá trị khoảng 0,7eV dưới bờ vùng dẫn. Chúng kết hợp
với ion Ti+3 đóng vai trò là các tạp chất cho điện tử. Các kết quả thực nghiệm và lý thuyết
đều cho thấy pha anatase dẫn điện tử tốt hơn pha rutile.
1.2.2 Tính chất quang của anatase và rutile

Chiết suất của màng anatase và rutile
Chiết suất của TiO2 dạng màng thường thấp hơn của tinh thể anatase hoặc rutile, trong
khi hệ số hấp thụ của các vật liệu lắng đọng (dạng màng mỏng) nói chung là cao hơn ở vật
liệu khối. Cả pha anatase và rutile đều là tinh thể lưỡng chiết nên phải tính chiết suất trung
bình đối với một màng mỏng đa tinh thể định hướng ngẫu nhiên, theo phương trình :
ntb 

2n  n||
3

Trong đó n và n|| lần lượt là các dao động vuông góc và song song với trục quang.
Chiết suất trung bình của pha rutile là 2,70 và của pha anatase là 2,53 ở bước sóng λ=600nm.
TiO2 vô định hình thường có vùng cấm là 3,5eV. Do đó sự hấp thụ quang tăng lên cùng với
sự chuyển pha từ vô định hình sang anatase đến rutile.
Sự liên hệ chiết suất và mật độ khối lượng
Từ biểu thức Lorentz:
p
4 Ne / (3me )
n2  1


2
2
2
n  2 3(0   )
02   2
2

Trong đó 02 là tần số dao động riêng của nguyên tử trong phân tử cô lập;  :tần số
dao động riêng của điện tử trong nguyên tử trong môi trường;  p :tần số plasma tương ứng

với tần số dao động của điện tử tự do trong môi trường giả trung hòa; me: là khối lượng


9
điện tử; e là điện tích điện tử. Từ phương trình trên cho thấy với tần số cho trước thì
(n2 1) / (n2  2) sẽ tỷ lệ với mật độ điện tử.
Biểu thức là tổng quát hóa khi   0 của biểu thức Clausius-Mosotti như sau:
N
(n2  1) 4 N 4


 a 
2
(n  2)
3
3
M

Na
 ;  là mật độ khối lượng; Na là số Avogadro; M là phân tử lượng;
M
 là hệ số phân cực. Từ 2 phương trình rút ra các nhận xét sau: Khi tăng tần số  , tức là

Trong đó: N 

giảm bước sóng λ tương ứng thì chiết suất n tăng (hiện tượng tán sắc). Khi tăng mật độ 
thì chiết suất cũng tăng. Điều này giải thích vì sao khi màng chuyển lên từ trạng thái vô
định hình sang tinh thể anatase và rutile chiết suất của màng tăng.
Sự liên hệ giữa độ phản xạ R, độ truyền qua T và chiết suất n
Từ công thức:

 n n n 
R   0 s 12 
 n0 ns  n1 

Với n0 : chiết suất không khí; n1 : chiết suất màng; ns : chiết suất của đế
Ta có thể nhận xét như sau: khi chiết suất của màng tăng thì độ phản xạ của màng
tăng và độ truyền qua của màng giảm. Do đó khi màng chuyển từ pha vô định hình sang
pha anatase rồi pha rutile thì mật độ khối lượng tăng nên chiết suất n tăng. Vì vậy hệ số
phản xạ R tăng và hệ số truyền qua giảm.
Trong cả 2 dạng thù hình trên của TiO2 thì chỉ có dạng anatase thể hiện tính hoạt động
nhất dưới sự có mặt của ánh sáng mặt trời. Đó là do sự khác biệt về cấu trúc vùng năng
lượng của anatase so với rutile, dẫn đến một số tính chất đặc biệt của anatase [1], [3].
1.3 Tính chất quang xúc tác TiO2
1.3.1 Khái niệm quang xúc tác
Năm 1930, khái niệm xúc tác quang ra đời. Trong hoá học nó dùng để nói đến những
phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hay nói cách khác,
ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.
Chất quang xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng quang hoá. Khi được chiếu ánh
sáng với cường độ thích hợp chất quang xúc tác sẽ đẩy nhanh tốc độ phản ứng quang hoá
bằng cách tương tác với chất nền ở trạng thái ổn định hay ở trạng thái bị kích thích hoặc
với các sản phẩm của phản ứng quang hoá tuỳ thuộc vào cơ chế của phản ứng. Mô tả trên


10
cũng bao gồm cả sự nhạy quang, được định nghĩa như là kết quả của sự hấp thụ photon của
các phân tử xúc tác quang dẫn đến sự thay đổi quang hoá hay quang lý trong các phân tử
khác. Chất quang xúc tác khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp có thể 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.
Một chất quang xúc tác tốt là:

+ Chất có hoạt tính quang hóa
+ Có thể sử dụng ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng cận UV.
+ Trơ về hóa học.
+ Không bị ăn mòn dưới tác dụng quang hóa.
+ Không độc hại và rẻ tiền.
Lịch sử quang xúc tác TiO2
Vào cuôi thập niên 60, trường Đại Học Tokyo đã nghiên cứu thành công tính chất
quang điện hóa (photo-electrochemical) của vật liệu TiO2 trong linh vực pin mặt trời. Kết
quả này bước đầu chứng minh được khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2.
Từ 60 năm nay hoạt tính quang hoá của TiO2 đã được biết đến. Khi đó, người ta thấy
rằng dưới tác dụng của ánh sáng, bột TiO2 đã phân huỷ dần các thành phần hữu cơ trong
sơn, gây nên hiện tượng sơn bị lão hoá “bở như phấn”. Trong thời gian dài người ta tập
trung nghiên cứu để làm giảm hoạt tính quang hoá của TiO2 trong sơn. Ngày nay bột TiO2
sử dụng trong công nghiệp sơn là loại không có hoạt tính quang hoá - dạng rutile và có kích
thước hạt lớn cỡ micro mét.
Năm 1972, Fujishima và Honda đã phát hiện ra hiện tượng tách nước thành O2 và H2
trên điện cực TiO2 bằng ánh sáng mặt trời. Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu của một kỷ
nguyên mới trong quang xúc tác dị thể. Những năm gần đây quang xúc tác dị thể sử dụng
TiO2 đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để ứng dụng vào những vấn đề quan trọng của
môi trường là tẩy độc nước và không khí. Khác với chất TiO2 sử dụng trong sơn, TiO2
quang xúc tác có cấu trúc tinh thể dạng anatase và có kích thước hạt cỡ nano mét (5 – 50
nm).
Năm 1977, giáo sư Allen J.Bard và các cộng sự tại trường Đại Học Texas lần đầu tiên
chứng minh được khả năng có thể sử dụng TiO2 để phân hủy chất độc cyanides trong nước,
cho thấy một tính chất tuyệt vời khác của vật liệu này mà ngày nay được ứng dụng nhiều
trong lĩnh vực môi trường để xử lý nước thải và không khí.


11

Hình 1.4 Mối quan hệ giữa độ rộng vùng cấm của một số oxit kim loại, oxit bán dẫn
với thế oxi hóa-khử
1.3.2 Quá trình quang xúc tác
Xúc tác quang hóa có thể dùng trong nhiều dạng phản ứng khác nhau như phản ứng
ôxy hóa một phần hay toàn phần, phản ứng đề hydro hóa, phản ứng phân hủy các chất hữu
cơ trong nước hay trong không khí. Tương tự như các quá trình xúc tác dị thể cổ điển, quá
trình quang xúc tác dị thể gồm các giai đoạn sau:
+ Chuyển pha lỏng đến bề mặt xúc tác.
+ Hấp phụ một phần các chất phản ứng trên bề mặt
+ Phản ứng trong pha hấp phụ.
+ Giải phóng các chất sản phẩm khỏi bề mặt.
+ Chuyển các chất từ bề mặt ra pha lỏng.
Sự khác nhau duy nhất giữa quá trình quang xúc tác với quá trình xúc tác dị thể truyền
thống là kiểu hoạt hóa của xúc tác, trong đó hoạt hóa nhiệt được thay thế bởi hoạt hóa
quang. Quá tình xúc tác quang được dựa trên sự tương tác giữa vật liệu bán dẫn và ánh
sáng, bằng cách sử dụng nguồn năng lượng từ mặt trời để làm sạch môi trường, đây được
xem là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn mang lại hiệu quả cao và giá thành rẻ.
Trong cơ học lượng tử, chất bán dẫn được đặc trưng bởi một dãy các mức năng lượng
không liên tục, liên quan tới liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử tạo nên tinh thể (vùng
hóa trị – valance band) và một dãy các dải năng lượng cao hơn được tạo thành do sự tổ hợp
các quỹ đạo của tất cả các nguyên tử có trong mạng tinh thể (vùng dẫn – conduction band).
Vùng nằm giữa mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn và mức cao nhất của vùng hóa trị
được gọi là vùng cấm hay khe vùng (Bandgap).


12
Khi một chất quang xúc tác được chiếu sáng bởi các photon, các electron trong vùng
hoá trị sẽ bị kích thích và nhảy lên vùng dẫn với điều kiện năng lượng các photon phải lớn
hơn hoặc bằng mức năng lượng của vùng cấm. Kết quả là vùng dẫn sẽ có các e mang điện
tích âm trên vùng hóa trị sẽ có những lỗ trống mang điện tích dương.

Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn và sự hoạt động của chất bán
dẫn khi được kích thích quang hóa

Các phân tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác
gồm hai loại:
Các phân tử có khả năng nhận e (Acceptor).
Các phân tử có khả năng cho e (Donor).
Các quang electron ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận
electron (A) và quá trình khử xảy ra, còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có
khả năng cho electron (D) để thực hiện phản ứng oxy hoá (hình 1.5):
-

h  (SC)  e  h

A  e   A

D  h  D 
Các ion A- và D+ sau khi được hình thành sẽ phản ứng với nhau qua một chuỗi các
phản ứng trung gian và sau đó cho ra các sản phẩm cuối cùng.


13
Với TiO2 dưới tác dụng của ánh sáng cực tím (UV), các điện tử từ vùng hóa trị chuyển
lên vùng dẫn thành các điện tử tự do, để lại các lỗ trống ở vùng hóa trị. Điện tử và lỗ trống
khuếch tán ra bề mặt và phản ứng với H2O và O2 hấp thụ trên bề mặt màng và tạo ra các
gốc có khả năng ôxy hóa khử chất hữu cơ.
Về nguyên tắc, điện tử muốn khử một chất thì mức năng lượng của cực tiểu vùng dẫn
phải âm hơn thế khử của chất đó và lỗ trống muốn ôxy hóa một chất thì mức năng lượng
của cực đại vùng hóa trị phải dương hơn thế ôxy hóa của chất đó. Mức không của giản đồ

thế được xác định bằng thế ôxy hóa khử của nguyên tử hydrogen (H).

Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của anatase và rutile
Anatase có năng lượng vùng cấm là 3,2eV, tương đương với một lượng tử ánh sáng
có bước sóng 388nm. Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,0 V, tương đương với một lượng
tử ánh sáng có bước sóng 413nm. Theo hình 1.6, vùng hóa trị của anatase và rutile 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. Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả
năng oxy hóa nước để tạo ra gốc hydroxyl có hoạt tính cao (•OH), cũng như một số gốc
hữu cơ khác:
H2O+ h+ ̶˃ •OH + H+
Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế chuẩn =
0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, nghĩa là anatase có thế khử


14
mạnh hơn. Mặt khác, theo như giản đồ (hình 1.6) thì anatase có khả năng khử O2 thành O2‾,
như vậy ở anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2‾.
O2 + e- ̶˃ O2‾
Sản phẩm của các quá trình này là gốc hydroxyl •OH có tính ôxy hóa rất mạnh và gốc
superoxyt O2‾ có tính khử, nên chúng sẽ oxy hóa khử các chất hữu cơ trên bề mặt để tạo ra
các sản phẩm phân hủy (CO2 và H2O). Hiệu ứng phân hủy hợp chất hữu cơ được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực diệt khuẩn vì chúng đều là những chất hữu cơ (là các dạng sống, có
màng tế bào và đều tạo nên từ các lipid khác nhau) nên bị phá hủy bất chấp ở hình thái nào.
Nhờ vậy, vật liệu TiO2 được ứng dụng để làm sạch nguồn nước, không khí, các bề mặt,
…[3],[10],[17].

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác TiO2
Như đã nói ở trên, khi được chiếu ánh sáng tới thích hợp, bán dẫn sẽ phát sinh ra các
cặp điện tử - lỗ trống. Chúng sẽ khuếch tán ra bề mặt và tham gia vào quá trình quang xúc
tác, nhưng trên thực tế để di chuyển được ra bề mặt điện tử và lỗ trống sẽ gặp phải các bẫy
sau:
- Điện tử và lỗ trống sau khi phát sinh sẽ tạo thành lưỡng cực và tái hợp.
- Các khuyết tật trong khối.
Các quá này trình diễn ra rất nhanh và làm giảm hiệu suất của quá trình quang xúc
tác, làm nóng dung dịch.
Từ cơ chế di chuyển của cặp điện tử và lỗ trống, ta thấy một điều hiển nhiên là nếu
như kích thước của TiO2 lớn thì có khả năng dẫn đến tái hợp sẽ tăng, do chúng phải vượt
quá một lượng hạt và biên hạt lớn mới có thể ra đến bề mặt bán dẫn. Các tái hợp này được
chỉ ra ở hình 1.7, tái hợp ngay trong khối hoặc tại bề mặt.

Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn các quá trình xảy ra khi TiO2 hấp thụ tia UV:
(A) tái hợp bề mặt,(B) tái hợp trong khối,(C) sự khử, (D) sự oxi hóa.


15
Bên cạnh đó, ở những chất bán dẫn vô định hình và bán dẫn có cấu trúc không trật tự
(disorders), các bẫy điện tích có thể làm chậm quá trình truyền ánh sáng. Những vật liệu
này có mật độ tâm bẫy cao và hệ quả là sự di chuyển điện tích thường được quyết định bởi
tính chất của các bẫy. Trong rất nhiều trường hợp các bẫy phân bố hầu khắp vùng năng
lượng vì vậy độ linh động của điện tử phụ thuộc vào sự chiếm chỗ của bẫy và do đó phụ
thuộc vào mật độ điện tử.
Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng không kém đến hiệu suất quang xúc tác đó là hình
dạng của vật liệu TiO2. Nếu như TiO2 ở dưới dạng bột hay gel thì diện tích tiếp xúc với môi
trường sẽ tăng, làm giảm sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống do có cấu trúc nhỏ từ đó làm tăng
khả năng phân hủy chất hữu cơ, tuy nhiên việc thu hồi và tái sử dụng trong môi trường lỏng
rất khó thực hiện. TiO2 ở dưới dạng màng mỏng với độ xốp cao, có tổng diện tích tăng nên

1000 lần so với màng thường, sẽ làm tăng hiệu quả trong việc hấp thụ ánh sáng và dễ dàng
thu hồi [11].
Pha của TiO2 cũng là một điều quan trọng tác động đến quá trình quang xúc tác, pha
anatase sẽ có hiệu ứng tốt hơn pha rutile. Bởi lẽ muốn tạo được nhiều gốc •OH và O2- thì
đòi hỏi điện tử trên vùng dẫn có thế khử càng âm càng tốt, lỗ trống vùng hóa trị càng dương
càng tốt, mà độ rộng vùng cấm của pha anatase lớn hơn pha rutile lên hiệu ứng quang xúc
sẽ xảy ra tốt hơn nếu như TiO2 ở dạng này. Đây cũng là định hướng trong việc chế tạo sau
này của luận văn.
1.3.4 Ưu nhược điểm của vật liệu quang xúc tác TiO2
Ưu điểm:
Như đối với bất kỳ vật liệu quang xúc tác thông thường khác, chúng không bị mất đi
khi các phản ứng xảy ra. Chúng không bị phân hủy khi tiếp xúc lâu dài với ánh sáng, ổn
định trong môi trường nước với những điều kiện pH khác nhau nên dễ phân hủy được các
chất hữu cơ trong môi trường lỏng. TiO2 là một vật liệu rẻ tiền, không độc hại có thể phân
hủy được hầu hết các chất hữu cơ do có khả năng tạo ra các gốc có khả năng oxi-hóa khử
cao.
Nhược điểm:
Ngay cả khi TiO2 là chất bán dẫn quang xúc tác tích cực và phù hợp nhất cho một loạt
các ứng dụng năng lượng và môi trường thì nó vẫn bị hạn chế hiệu suất hoạt động quang
bởi các yếu tố:
-

Vùng cấm của TiO2 (pha anatase) là 3,2eV, nên nó chỉ hấp thụ ánh sáng ở vùng cực
tím, do đó chỉ có một phần nhỏ ánh sáng mặt trời (khoảng 5%) có thể sử dụng trong
quá trình quang.