Nghiên cứu điều chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích thước nano từ chất đầu TiCL4 và amin
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.82 MB, 104 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------
TRẦN THỊ THU TRANG
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU
TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT
TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT
ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------TRẦN THỊ THU TRANG
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ, KHẢO SÁT CẤU
TRÚC, HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA BỘT
TITAN ĐIOXIT KÍCH THƯỚC NANO TỪ CHẤT
ĐẦU TiCl4 VÀ AMIN
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60 44 25
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Sỹ Lương
Hà Nội - 2011
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN.................................................................................................. 3
1.1. Giới thiêụ chung vềcông nghệ nano................................................................ 3
1.1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano.
3
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano. 4
1.2. Giới thiêụ vềvật liệu titan đioxit kích thƣớc nano................................. 5
1.2.1. Cấu trúc của TiO2 5
1.2.2. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile
7
1.2.3. Sự chuyển pha trong TiO2
9
1.2.4. Tính chất hóa học của titan đioxit
1.2.5. Các ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thước nm
10
11
1.3. Giới thiêụ vềtitan đioxit kích thƣớc nano đƣơcc̣ biến tính bằng
nito.......................................................................................................................................................... 15
1.3.1. Các kiểu TiO2 biến tính 15
1.3.2. Tính chất của TiO2 kích thước nano biến tính bằng nito 16
1.3.3. Các phương pháp điều chế TiO2 kích thước nano biến tính
bằng nitơ.............................................................................................................................................. 18
1.4. Giới thiêụ vềtitan đioxit kích thƣớc nano đƣơcc̣ biến tính bằng
nito với tiền chất cung cấp nito làhydrazine vàhydroxylammine.................21
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................... 23
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu................................................................... 23
2.1.1. Mục tiêu
23
2.1.2. Các nội dung nghiên cứu 23
2.2. Hóa chất và thiết bị.................................................................................................. 23
2.2.1. Hóa chất
23
2.2.2. Dụng cụ và thiết bị 24
2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm điều chế bột titan đioxit kích thƣớc
nano biến tính nitơ theo phƣơng pháp thuỷ phân từ chất đầu là TiCl 4
với sự có mặt của hydrazine hoặc hydroxylammine.............................................. 24
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................... 26
2.4.1. Phương pháp XRD.......................................................................................... 26
2.4.2. Phổ tán xạ tia X (EDX hoăcc̣ EDS).......................................................... 29
2.4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [1]........................................ 30
2.4.4. Phương pháp khảo sát khả năng quang xúc tác của titan đioxit31
2.4.5. Phương pháp tính hiệu suất quá trình điều chế................................. 34
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 35
3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung..................................................... 35
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 khi
sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydrazine.......................................................................... 35
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến mẫu N-TiO2 khi
sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydroxylammine.......................................................... 38
3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ TiCl4.................................................... 41
3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 khi
sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydrazine.......................................................................... 41
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến mẫu N-TiO2 khi
sử dụng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine......................................................... 43
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ hydrazine và
hydroxylammine........................................................................................................................... 45
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hydrazine...................................... 45
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine.......................47
3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian nung................................................... 49
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến mẫu N-TiO2 khi
sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydrazine.......................................................................... 49
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến mẫu N-TiO2 khi
sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydroxylammine.......................................................... 51
3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian thủy phân....................................... 54
3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2
khi sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydrazine................................................................. 54
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến mẫu N-TiO2
khi sử dungc̣ chất đầu cung cấp N làhydroxylammine.................................................. 56
3.6. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ thủy phân...............................
3.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2
khi dung chất đầu cung cấp N la hydrazine ....................................................
̀̀
3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến mẫu N-TiO2
khi dung chất đầu cung cấp N la hydroxylammine .........................................
̀̀
3.7. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian lƣu mẫu trƣớc li tâm ...........
3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến
mâũ TiO
-N khi dung chất đ
2
3.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến
mâũ N-TiO khi dung chất đầu cung cấp N la hydroxylammine ....................
3.8. Khảo sát ảnh hƣởng của điều kiện rửa ........................................
3.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 khi
dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine ..........................................................
3.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện rửa đến mẫu N-TiO2 khi
dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine ...............................................
3.9. Điều chếbôṭN-TiO kích thƣớc nano vơi tiền chất cung cấp N
là hydrazine và hydroxylammine ................................................................
3.9.1. Sơ đồđiều chế..........................................................................
3.9.2. Thuyết minh quy trinh ..............................................................
3.9.3. Kết qua điều chếtheo quy trinh ...............................................
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ.
Danh mục bảng.
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutil và anatase.
.........................................................................................................................
7
Bảng 1.2. Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm.
.........................................................................................................................
11
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ......................
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. ..........
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ......................
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. ..........
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ hidrazine đến các đặc trưng
của sản phẩm N-TiO2. .....................................................................................
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine đến các
đặc trưng của sản phẩm N-TiO2. .....................................................................
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian nung đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ......................
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của thời gian nung đến các đặc trưng của
sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydroxylammine. ..........
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến các đặc trưng
của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là hydrazine. ...............
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến các đặc
trưng của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là
hydroxylammine.............................................................................................................................. 57
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất
phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N
là hydrazine........................................................................................................................................ 58
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến hiệu suất
phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N
là hydroxylammine......................................................................................................................... 59
Bảng 3.13. Ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến
hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydrazine.............................................................................................................. 60
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian lưu mẫu trước li tâm đến
hiệu suất phân hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydroxylammine............................................................................................... 61
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của điều kiện rửa đến hiệu suất phân
hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là
hydrazine............................................................................................................................................. 62
Bảng 3.16. Ảnh hưởng của điều kiện rửa đến hiệu suất phân
hủy quang của sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp N là
hydroxylammine.............................................................................................................................. 63
Danh mục hình.
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
.........................................................................................................................
6
Hình
1.2.
Hình
khối
bát
diện
của
TiO2
.........................................................................................................................
7
Hình 1.3. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutil
.........................................................................................................................
8
Hình 1.4. Lượng TiO2 sử dụng hàng năm trong lĩnh vực quang
xúc tác ............................................................................................................ 12
Hình 1.5. Sơ đồ khối mô tả quy trình điều chế TiO2 theo
phương pháp sol – gel .................................................................................... 18
Hình
1.6.
Công
thức
cấu
tạo
của
hydrazine
.........................................................................................................................
21
Hình
1.7.
Công
thức
cấu
tạo
của
hydroxylamine
.........................................................................................................................
21
Hình 2.1. Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nano
được biến tính nito theo phương pháp thủy phân dung dịch từ TiCl4 có
mặt hydrazine hoặc hydroxylamine ................................................................ 25
Hình
2.2.
Sự
phản
xạ
trên
bề
mặt
tinh
thể
.........................................................................................................................
27
Hình 2.3. Xác định cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu
xạ tia X ............................................................................................................
Hình 2.4. Nhiễu xạ kế tia X D8 – Advance 5005 (CHLB Đức)
.........................................................................................................................
28
Hình
2.5.
Kính
hiển
vi
điện
tử
truyền
qua
(TEM)
.........................................................................................................................
31
Hình
2.6.
Công
thức
cấu
tạo
của
xanh
metylen
.........................................................................................................................
32
Hình
2.7.
Thiết
bị
phản
ứng
phân
hủy
xanh
metylen
.........................................................................................................................
33
Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở nhiệt độ nung khác nhau .........
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy
xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp
N là hydrazine .................................................................................................
Hình 3.3. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở nhiệt độ nung
khác nhau .........................................................................................................
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất phân hủy
xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp
N là hydroxylammine ......................................................................................
Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở nồng độ TiCl4 khác nhau .........
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy
xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp
N là hydrazine .................................................................................................
Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở nồng độ TiCl4
khác nhau............................................................................................................................................. 44
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ TiCl4 đến hiệu suất phân hủy
xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung cấp
N là hydroxylammine.................................................................................................................... 44
Hình 3.9. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế ở
nồng độ hydrazine khác nhau.................................................................................................... 46
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ hydrzine đến hiệu suất phân
hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2.................................................................. 46
Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 điều chế ở
nồng độ hydroxylammine khác nhau.................................................................................... 48
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylammine đến hiệu
suất phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2............................................ 48
Hình 3.13. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở thời gian nung khác nhau............50
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất phân
hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydrazine.......................................................................................................................... 50
Hình 3.15. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở thời gian nung
khác nhau............................................................................................................................................. 52
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất phân
hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydroxylammine........................................................................................................... 52
Hình 3.17. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydrazine điều chế ở thời gian thủy phân khác
nhau......................................................................................................................................................... 54
Hình 3.18. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất
phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydrazine............................................................................................................... 55
Hình 3.19. Giản đồ XRD của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng
chất đầu cung cấp N là hydroxylammine điều chế ở thời gian thủy
phân khác nhau................................................................................................................................. 56
Hình 3.20. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất
phân hủy xanh metylen của mẫu sản phẩm N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydroxylammine............................................................................................... 57
Hình 3.21. Quy trình điều chế bột titan đioxit kích thước nano
được biến tính nito theo phương pháp thủy phân dung dịch từ TiCl4 có
mặt hydrazine hoặc hydroxylamine....................................................................................... 64
Hình 3.22. Giản đồ XRD của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydrazine được điều chế theo điều kiện thích hợp.........................65
Hình 3.23. Ảnh TEM của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydrazine được điều chế theo điều kiện thích hợp..................................... 66
Hình 3.24. Phổ EDS của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydrazine được điều chế theo điều kiện thích hợp..................................... 66
Hình 3.25. Giản đồ XRD của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu
cung cấp N là hydroxylammine được điều chế theo điều kiện thích
hợp........................................................................................................................................................... 67
Hình 3.26. Ảnh TEM của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydroxylammine được điều chế theo điều kiện thích hợp......................68
Hình 3.27. Phổ EDS của mẫu N-TiO2 khi dùng chất đầu cung
cấp N là hydroxylammine được điều chế theo điều kiện thích hợp......................68
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
MỞ ĐẦU
Titan đioxit (TiO2) kích thước nano là một trong những vật liệu cơ bản
trong ngành công nghệ nano vì nó có các tính chất lý, hóa, quang điện tử khá
đặc biệt, có độ bền cao và thân thiện với môi trường. Vì vậy, titan đioxit có rất
nhiều ứng dụng trong cuộc sống như hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo các
loại thủy tinh, men và gốm chịu nhiệt, ... Ở dạng hạt mịn kích thước nano,
TiO2 có nhiều ứng dụng hơn trong các lĩnh vực như chế tạo pin mặt trời,
sensor, ứng dụng làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự
làm sạch, …
Hiện nay, TiO2 là xúc tác quang hóa được nghiên cứu rộng rãi nhất với
nhiều ứng dụng, đặc biệt TiO2 được quan tâm trong lĩnh vực làm xúc tác
quang hóa phân hủy các hợp chất hữu cơ và xử lý môi trường vì nó không độc
hại, bền vững và rẻ tiền. Xúc tác quang TiO 2 do có dải trống rộng (của rutile
là 3.05 eV và của anatase là 3.25 eV) nên chỉ có hoạt tính trong vùng UV.
Trong khi đó, phần bức xạ tử ngoại trong quang phổ mặt trời đến bề mặt trái
đất chỉ chiếm ~ 4% khiến cho việc sử dụng nguồn bức xạ này vào mục đích
xử lý môi trường với xúc tác quang TiO 2 bị hạn chế. Để mở rộng khả năng sử
dụng năng lượng bức xạ mặt trời cả ở vùng ánh sáng nhìn thấy vào phản ứng
quang xúc tác, cần giảm năng lượng vùng cấm của TiO2.
Với mục đích trên, trong nhiều nghiên cứu gần đây biến tính bề mặt
hoặc vào cấu trúc TiO2 bằng nhiều phương pháp đã được tiến hành, bằng cách
đưa các ion kim loại như Zn, Fe, Cr, Eu, Y, Ag, Ni, ... và các ion không kim
loại như N, C, S, F, Cl, .... Trong số đó, đặc biệt phải kể đến là biến tính bằng
nitơ. Sở dĩ biến tính TiO2 kích thước nano bằng nitơ được nghiên cứu nhiều vì
các hợp chất chứa nitơ (NH3, urê, các muối amoni, các hợp chất amin) được
sử dụng phổ biến trong quá trình điều chế TiO 2 kích thước nano với vai trò
điều chỉnh pH, làm chất định hướng cấu trúc… Đồng thời nhiều công trình
nghiên cứu cho thấy N3- có tham gia vào cấu trúc TiO 2 làm thay đổi cấu trúc
và tính chất quang xúc tác của vật liệu.
1
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
Vì vậy, trong công trình này chúng tôi đặt vấn đề: “Nghiên cứu điều
chế, khảo sát cấu trúc, hoạt tính quang xúc tác của bột titan đioxit kích
thƣớc nano từ chất đầu TiCl4 và amin”.
2
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về công nghệ nano.
1.1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano
Công nghệ nano nghiên cứu và ứng dụng các hệ bao gồm các cấu tử có
kích cỡ nano (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hóa
vật chất, năng lượng và thông tin.
Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano.
Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu
nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỉ XX là thời kì
mà các nhà vật lí, hóa học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc điều
chế, nghiên cứu tính chất và sự chuyển hóa của các phần tử có kích cỡ nano.
Điều này do các phần tử nano thể hiện những tính chất điện, từ, cơ, quang
hóa… khác biệt rất nhiều so với vật liệu khối thông thường.
Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ
nên hầu hết các nguyên tử có thể thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi
tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ
có một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử lại nằm
sâu trong thể tích của vật, bị các nguyên tử ở lớp ngoài che chắn. Do vậy,
chúng ta có thể chờ đợi ở vật liệu nano thể hiện những tính chất mới lạ và ưu
việt.
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương
pháp tổng hợp hóa học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí,
kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thủy phân, điện kết tủa, oxi hóa, phản ứng
vận chuyển, sol – gel… Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu
nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử
hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn
(đóng vai trò như những “bình phản ứng nano”) vừa tạo không gian thích hợp,
vừa có thể định hướng sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các
phân tử với nhau. Ngày nay người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại,
các mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng
photpholipit…
3
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano
a. Lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông.
Công nghệ nano có ảnh hưởng rõ rệt đến lĩnh vực điện tử, công nghệ
thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các
transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con
chip tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới
giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế.
b. Lĩnh vực sinh học và y học.
Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị
cực nhỏ có thể đưa vào mọi nơi trong cơ thể con người để tiêu diệt virut và
các tế bào ung thư, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các
máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não…
Công nghệ nano sinh học còn có thể sử dụng trong y học để tạo ra môt
phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ
thuật chuẩn đoán bệnh. Hy vọng rằng với việc ứng dụng các thành tựu của
công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện
pháp hữu hiệu để nâng cao sức khỏe, tăng tuổi thọ con người.
c. Lĩnh vực vật liệu.
Vật liệu composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành
phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu nano composit làm tăng tính chất cơ
lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hóa chất, thay đổi tương tác
với ánh sáng nhìn thấy và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm nano composit
được sử dụng làm lớp phủ cho các vật liệu khác trong điều kiện khắc nghiệt.
Ví dụ như các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bẩn,
kháng khuẩn. Trên thị trường đã xuất hiện loại “thủy tinh tự làm sạch” do
được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi.
d. Ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.
Những năm gần đây, thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng ngày càng
coi trọng vấn đề xử lí ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do
chất thải hữu cơ gây ra. Các hạt nano của các chất bán dẫn được sử dụng
4
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
trong quá trình xử lí các chất gây ô nhiễm. Các oxit kim loại nano với diện
tích bề mặt lớn thể hiện khả năng hấp phụ mạnh các khí có tính axit và các
chất hữu cơ phân cực.
Việc xử lí ô nhiễm môi trường không chỉ bao gồm việc làm sạch môi
trường nước mà còn bao gồm việc tạo nên bầu không khí trong sạch, hạn chế
tối đa sự lây lan của những vi khuẩn có hại nhằm nâng cao chất lượng cuộc
sống con người là những điều các nhà quản lí, nhà khoa học hướng tới. Công
nghệ nano với những đặc tính ưu việt của mình được kì vọng rất lớn trong
việc giải quyết vấn đề này.
e. Vấn đề năng lượng.
Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn
tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng
truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng
khác thay thế là nhiệm vụ cấp bách được đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể
được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên
liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hóa phân húy nước.
Các quá trình trên đạt hiệu quả cai khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ
hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano.
1.2. Giới thiệu về vật liệu titan đioxit kích thƣớc nano.
1.2.1. Cấu trúc của TiO2
TiO2 [8, 22] 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 ( tnoc =
1870oC).
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)
(Hình 1.1).
5
Luận văn thạc sĩ khoa học
Dạng anatase
Trần Thị Thu Trang – K20
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 TiO 2, 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 MX 2, anatase và brookite là các dạng giả
bền và chuyển thành rutile khi nung nóng.
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. Khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn
hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với
rutile. Trong cả ba dạng tinh thể thù hình của TiO 2 các octahedra được nối với
nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh (Hình 1.1 và Hình 1.2).
6
Luận văn thạc sĩ khoa học
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase
Thông số mạng
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 O2-.
Hình 1.2. Hình khối bát diện của TiO2
1.2.2. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile
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 3 miền năng lượng là vùng
7
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
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 3.25 eV, tương đương với một
lượng tử ánh sáng có bước sóng 382 nano. Rutile có năng lượng vùng cấm là
3,05 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 407 nano. Giản
đồ năng lượng của anatase và rutile được chỉ ra trên hình 1.3. Vì vậy để kích
thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn cần phải có các bức xạ có năng
lượng vượt quá năng lượng vùng cấm tương ứng với bước sóng 413nm đối
với rutil và 388nm đối với anata.
Vùng dẫn
Vùng cấm
Vùng hóa
trị
Hình 1.3. Giản đồ miền năng lượng của anatase và rutile
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 [10]. Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các
electron hóa trị sẽ tách khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống
(hole) 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 thành OH., cũng như một số gốc hữu cơ khác:
8
Luận văn thạc sĩ khoa học
TiO2 (h+) + H2O → OH. + H+ + TiO2
Vùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế
chuẩn = 0.00 V), 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 O2 thành O2‾, như vậy là anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả
năng khử O2 thành O2‾.
-
TiO2 (e ) + O2 = TiO2 + O
2‾
(1.2)
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.
1.2.3. Sự chuyển pha trong TiO2
Hầu hết các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng quá trình thuỷ phân các
muối vô cơ đều tạo ra tiền chất titan đioxit dạng vô định hình hoặc dạng cấu
trúc anatase hay rutile. Khi nung axit metatitanic H 2TiO3, một sản phẩm trung
gian chủ yếu của quá trình sản xuất TiO 2 nhận được khi thuỷ phân các dung
dịch muối titan, thì trước hết tạo thành anatase. Khi nâng nhiệt độ lên thì
anatase chuyển thành rutile.
Quá trình chuyển dạng thù hình của TiO2 vô định hình - anatase - rutile
bị ảnh hưởng rõ rệt bởi các điều kiện tổng hợp và các tạp chất, quá trình
chuyển pha từ dạng vô định hình hoặc cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile
xảy ra ở nhiệt độ trên 450oC. Ví dụ: Với các axit metatitanic sạch, không có
tạp chất, thì nhiệt độ chuyển pha từ anatase thành rutile sẽ nằm trong khoảng
610oC 730oC. Với axit metatitanic thu được khi thuỷ phân các muối clorua
và nitrat của titan thì quá trình chuyển thành rutile dễ dàng hơn nhiều (ở gần
500oC). Trong khi đó, với axit metatitanic đã được điều chế bằng cách thuỷ
phân các muối sunfat thì nhiệt độ chuyển pha sẽ cao hơn, nằm trong khoảng
9
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
850oC 900oC. Điều này có thể là do có liên quan đến sự có mặt của các
sunfat bazơ hoặc là các anion sunfat nằm dưới dạng hấp phụ.
Ngoài ion SO42- nhiệt độ chuyển anatase thành rutile cũng bị tăng cao
khi có mặt một lượng nhỏ tạp chất SiO 2, cũng như khi có mặt HCl trong khí
quyển bao quanh.
Theo công trình [4] thì năng lượng hoạt hoá của quá trình chuyển
anatase thành rutile phụ thuộc vào kích thước hạt của anatase, nếu kích thước
hạt càng bé thì năng lượng hoạt hoá cần thiết để chuyển anatase thành rutile
càng nhỏ.
Theo các tác giả công trình [3] thì sự có mặt của pha brookite có ảnh
hưởng đến sự chuyển pha anatase thành rutile: Khi tăng nhiệt độ nung thì tốc
độ chuyển pha brookite sang rutile xảy ra nhanh hơn tốc độ chuyển pha
anatase sang rutile nên tạo ra nhiều mầm tinh thể rutile hơn, đặc biệt với các
mẫu TiO2 chứa càng nhiều pha brookite thì sự chuyển pha anatase sang rutile
xảy ra càng nhanh. Quá trình xảy ra hoàn toàn ở 900oC.
1.2.4. Tính chất hóa học của titan đioxit
TiO2 bền về mặt hoá học (nhất là dạng đã nung), không phản ứng với
nước, dung dịch axít vô vơ loãng, kiềm, amoniac, các axit hữu cơ.
TiO2 tan không đáng kể trong các dung dịch kiềm tạo ra các muối
titanat.
TiO2 + 2NaOH Na2TiO3 + H2O
TiO2 tan rõ rệt trong borac và trong photphat nóng chảy. Khi đun nóng
lâu với axit H2SO4 đặc thì nó chuyển vào trạng thái hoà tan (khi tăng nhiệt độ
nung của TiO2 thì độ tan giảm). TiO2 tác dụng được với axit HF hoặc với kali
bisunfat nóng chảy.
TiO2
+ 2H2SO4
TiO2
+ 6HF H2[TiF6] + 2H2
TiO2
+ 2K2S2O7
10
Luận văn thạc sĩ khoa học
Ở
Trần Thị Thu Trang – K20
nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và oxit kim loại để
tạo thành các muối titanat:
TiO2
(M là Ca, Mg, Ba, Sr)
TiO2
(M là Pb, Mn, Fe, Co)
TiO 2 +Na 2 CO3 Na 2 TiO3 +CO2
TiO2 dễ bị hidro, cacbon monooxit và titan kim loại khử về các oxit
thấp hơn.
2TiO H Ti O H O
TiO 2 H 2 TiO H 2O
2TiO 2 CO Ti 2 O3
3TiO2 Ti 2Ti2O3
3TiO 2 TiCl 4 2H 2 O 2Ti 2 O3 4HCl
TiO 2 Ti 2TiO
1.2.5. Các ứng dụng của vật liệu TiO2 kích thước nano
Hiện nay, sản lượng titan đioxit trên thế giới không ngừng tăng lên.
Bảng 1.2: Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm.
Năm
Sản lượng (tấn)
Gần 58% titan đioxit sản xuất được được dùng làm chất màu trắng
trong công nghiệp sản xuất sơn. Chất màu trắng titan đioxit cũng đã được sử
dụng một lượng lớn trong sản xuất giấy, cao su, vải sơn, chất dẻo, sợi tổng
11
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
hợp và một lượng nhỏ trong công nghiệp hương liệu. Các yêu cầu đòi hỏi đối
với sản phẩm là rất đa dạng phụ thuộc vào công dụng của chúng.
Titan đioxit là một vật liệu cơ bản trong cuộc sống hằng ngày của
chúng ta. Các nhà quan sát công nghiệp cho rằng lượng titan đioxit tiêu thụ tại
một quốc gia có mối quan hệ rất gần với tiêu chuẩn cuộc sống. Ví dụ tại Nhật
Bản, số liệu thống kê hằng năm cho thấy lượng titan đioxit sản xuất ra có
quan hệ mật thiết với GNP của quốc gia này.
Hình 1.4 đưa ra biểu đồ dạng cột về lượng TiO 2 sử dụng hằng năm
trong lĩnh vực quang xúc tác. Nhìn vào hình 1.4 ta có thể thấy lượng TiO 2 sử
dụng cho lĩnh vực quang xúc tác chiếm gần 50% trong những ứng dụng của
TiO2 và tăng dần theo thời gian.
Tấn
Năm
Hình 1.4. Lượng TiO2 sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác
a.
Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường
Khi titan thay đổi hóa trị tạo ra cặp điện tử - lỗ trống ở vùng dẫn và
vùng hóa trị dưới tác dụng của ánh sáng cực tím chiếu vào. Những cặp 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 [6].
12
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trần Thị Thu Trang – K20
b. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, chất dẻo.
TiO2 còn được sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, tên chính xác
của loại này là sơn quang xúc tác TiO 2. Thực chất sơn là một dạng dung dịch
chứa vô số các tinh thể TiO2 cỡ chừng 8 25 nano. 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.
c. 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 xúc tác quang bán dẫn công nghệ mới hứa hẹn nhiều áp
dụng 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)
13
